碳化硅MOSFET的经济高效且可靠的大功率解决方案

碳化硅已被证明是高功率和高电压设备的理想材料。但是，设备的可靠性极其重要，我们不仅指短期可靠性，还指长期可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和坚固性是碳化硅成功的关键。全球有 30 多家公司已将 SiC 技术作为其功率器件生产的基础。此外，几家领先的功率模块和功率逆变器制造商已经为未来基于 SiC 的产品的路线图奠定了基础。碳化硅 （SiC）MOSFET 即将彻底取代硅功率开关；该行业需要能够应对不断变化的市场的新驱动和转换解决方案。

性能和可靠性

可以通过在 SiC 功率器件上运行 HTGB（高温栅极偏置）和 HTRB（高温反向偏置）应力测试来评估性能。Littelfuse 已在 175 °C 的温度下对 1200V、80mΩ SiC MOSFET 进行了压力测试，使用不同的 V GS值并对器件施加压力长达 1000 小时。结果如图 1 所示。

图 1：HTRB 和 HTGB 压力测试结果

尽管取得了优异的成绩，HTGB+测试（V GS =+25V，T=175°C）的持续时间已延长至5500小时，而HTGB-测试的持续时间（V GS =-10V，T=175°C ） 已延长至 2700 小时。即使在这些情况下，也观察到了最小偏差，证实了 SiC MOSFET 在这些条件下的性能和可靠性。

栅极氧化物是碳化硅 MOSFET 的关键元件，因此其可靠性极为重要。栅极氧化层可靠性的评估分为两部分。第一部分基于 TDDB（时间相关介质击穿）测试。根据施加在栅极氧化物上的电场（从 6 到 10 MV/cm），器件寿命会发生很大变化。图 2 显示了该测试在不同温度下的结果。在第二部分中，对常见的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 进行了加速栅极氧化物寿命测试。两个测试结果之间的密切一致性证实了 SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和 V GS = 25V下运行时，预计使用寿命超过 100 年。

图 2：加速栅极氧化物寿命测试的结果

短路鲁棒性

与碳化硅技术相关的另一个重要方面是短路鲁棒性。为了检查其碳化硅功率器件的短路稳定性，Littelfuse开发了自己的特定测试板。该电路如图 3 所示，包括一个 1200V 80mΩ SiC MOSFET （DUT）、一个仅用于安全原因的 IGBT （Q1） 和三个电容器。结果如图 4 所示，取决于施加的栅极电压（12V、15V、18V 或 20V），短路耐受时间会发生显着变化。

图 3：短路测试电路

图 4：不同栅极电压下的短路耐受时间

最长的时间（约 15µs）是在最低栅极电压（12V）下获得的。此外，峰值电流强烈依赖于栅极电压，从 20V 栅极电压下的几乎 300A 下降到 12V 栅极电压下的大约 130A。即使碳化硅 MOSFET 的短路耐受时间比 IGTB 的短路耐受时间短，SiC 器件也可以通过集成到栅极驱动器 IC 中的去饱和功能得到保护。

审核编辑：郭婷