基于环流系统的碳化硅功率器件可靠性研究

近日，在西安·曲江国际会议中心举办的2024中国电力电子与能量转换大会暨中国电源学会第二十七届学术年会及展览会（CPEEC & CPSSC 2024）已圆满落幕。

本次派恩杰作为中国电源学会白金合作伙伴受邀参展，到派恩杰3-015展位驻足停留咨询的客户和伙伴络绎不绝，同时在西安·曲江国际会议中心，派恩杰的雷洋博士在“工业报告”环节做出了《基于环流系统的碳化硅功率器件可靠性研究》的报告分享。

报告人-雷 洋

博士，应用主任工程师

会上，雷洋博士就“①SiC MOSFET参数漂移问题、②SiC MOSFET参数漂移研究的环流系统、③实验结论”三大模块论点进行了实验性报告分享，并与会上广大业内同仁共同进行了热烈的交流与实验探讨。

SiC MOSFET参数漂移问题

据雷洋博士介绍，碳化硅（SiC）MOSFET由于其优越的效率、高温耐受性以及相比传统硅器件更快的开关速度，已经成为现代电力电子技术中的关键技术。然而，影响其广泛应用的一个重要挑战是参数漂移，这会对其长期稳定性和性能产生影响。了解参数漂移及其潜在机制对于提高SiC MOSFET的可靠性至关重要，特别是在对高性能和长寿命有严格要求的工业应用中。通过持续研究、合作努力和工艺改进来解决这些挑战，是充分利用SiC技术在电力电子中优势的关键。

通过实验研究，团队也探讨了各种减缓策略，例如优化栅极驱动方法、改善界面质量以及开发稳健的测试方法，以确保可靠的性能。首先，碳化硅MOSFET最早受到关注的是恒定栅压下，阈值电压的漂移现象。这个现象也是普遍存在于碳化硅MOSFET器件中。我们对自己的产品进行了PBTI的测试，结果显示阈值电压轻微正漂，导通电阻无明显变化。

相同的栅压应力条件下，负漂NBTI要比正漂PBTI更加显著。主要原因是反应扩散模型：在器件施加负偏置栅极应力时，热空穴或带正电的H+注入到SiC/SiO2 界面，导致较弱的Si-H 键断裂形成新的界面陷阱，使得阈值电压漂移更加严重。这使得NBTI对器件的可靠性影响更大，因此我们对NBTI效应进行了更详细的测试分析。分别进行3组栅极电压和3组温度的测试，再使用power对数据进行拟合，得到一个阈值漂移量随温度、电压、时间变化的模型NBTI 阈值电压漂移量随栅压应力的幅值增加而逐渐增大，电压加速因子α约为1.4，而温度的影响相对较小。在极端条件下, 175℃, -12V, 1000H，器件阈值负漂小于150mV。

实验证明PBTI与NBTI是现实存在的，但是碳化硅MOSFET在电源应用的实际工况下，极少出现长时间施加正向栅压或者负向栅压的情况，而是以开关频率交替施加正压与负压，因此传统的基于恒定应力的可靠性测试方法，如HTGB、HTRB、TDDB、DC BTI等，均具有一定的局限性。

动态测试能更好地揭示瞬态效应及其对器件长期性能的影响，而静态测试由于缺少快速变化的条件，可能无法充分反映这些问题，因此针对AC BTI也做了相关的测试。一般情况下，AC BTI导致的阈值电压是一种准永久的漂移。阈值漂移量受开关频率、栅极电压上限、栅极电压下限、温度、栅极电压过冲、占空比等多种因素影响。需要特别说明是，频率较高时，栅极负压和正压导致的阈值电压漂移不会互相抵消。一般来说，AC BTI栅极电压下限越低(绝对值越大)，阈值漂移越明显。首先，通过测试发现阈值电压漂移量与开关频率无关，与开关次数相关。可以通过提高开关频率加速阈值电压漂移。对器件在极端条件下进行超长开关次数测试，派恩杰优化后器件阈值漂移小于100mV，且显著优于沟槽栅结构SiC MSOFET。同时可以发现经历长时间栅极开关应力，阈值漂移效应表现出饱和趋势，表明派恩杰器件可以承受长期极端栅极开关应力，保证长期可靠性。然而AC BTI的相关测试仅是对栅极加负压，没有施加漏源电压，因此仍然无法与实际工况对应，存在一定的局限性。

参数漂移研究的环流系统

针对实验表明的局限性问题，派恩杰开发了一套环流系统，目标是使碳化硅工作在实际的开关电路中，运行在重载工况下，对碳化硅MOSFET进行参数漂移的研究。首先，我们开发了一个单个测试模块电路，这个测试模块电路是一个H桥电路，直流侧通过直流电源进行供电，两个SW node之间连接一个电感。通过测量电感电流，MCU可以进行闭环控制，以实现控制电感电流跟踪电流reference。这样就可以模拟碳化硅MOSFET在桥式电路中硬开关的实际工况，并且可以根据运行条件设置参数，如开关频率，死区，直流母线电压与负载电流等。这个测试模块有如下特点，首先是直流电源仅需要提供损耗，因此对直流电源的容量要求较低；其次，电流reference可以设置为直流或交流，且可以达到较高的数值，不受电子负载影响。但是如果设置为直流，根据电流方向，其中两个硬开关的器件温度会较高，同步管温度较低。在这个实验中，我们设定为交流，保证4颗器件的温升一致。该测试模块还有一个特点，就是被测器件是自发热的，温度实时监控。通过热像仪照片我们可以看到，我们将壳温控制在了155摄氏度左右，这个是因为我们认为在这个壳温条件下，结温已经在175摄氏度以上。

针对大规模测试的需求，我们也开发了相应的功能。我们通过硬件上的设计实现了热插拔的功能，另外，每个测试模块均有无线通信模块，可以通过上位机远程监控，上位机可以向任何一个测试模块发送指令，也可以接收运行数据。实时监控的数据主要包括器件壳温和损耗功率，并且上位机可以将这些数据上传实时数据库。

目前，我们选取了三个不同的碳化硅MOSFET进行研究，正在进行三个模块同时进行测试的实验，如图是我们的环流系统测试台架的prototype。我们的测试条件是直流电压850V，开关频率40kHz，单个模块加载至壳温达到155摄氏度左右。并且每间隔24小时进行一次Vth与RDSon的测试。我们选取的器件是来自不同厂商的1200V 40毫欧的碳化硅MOSFET，壳温稳定在155摄氏度左右的负载电流分别为36.28A、25.15A和25.14A。

实验结论

经过严谨的反复测试，我们收集了多个数据点。通过数据点我们可以观测到，所有器件的参数均比较稳定。而我们派恩杰的器件，Vth有所上升，Rdson有所下降；vendor 1的器件Vth和Rdson 均有所下降，Vendor 2的器件Vth有所下降，Rdson基本不变。

测试数据（数据基于初始化归一化处理）

目前我们可以得到结论，该环流测试系统可以同时进行多个老化实验，并且通过该实验可以检测碳化硅MOSFET的参数漂移情况。短期实验结果表明，在壳温155摄氏度的条件下，未观察到明显的参数漂移。后续，我们会持续进行该实验，并且会在不同的负载条件，不同应力下，对器件进行加速老化的对比，以期得到更多可靠性参考数据，并优化器件性能，为客户提供更稳定可靠的产品。

会上时间有限，我们期待下次与大家有更多交流探讨的机会，共同在半导体领域同行更远、探索更深。

关于派恩杰

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派恩杰半导体

成立于2018年9月的第三代半导体功率器件设计和方案商，国际标准委员会JC-70会议的主要成员之一，参与制定宽禁带半导体功率器件国际标准。发布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大规模导入国产新能源整车厂和Tier 1，其余产品广泛用于大数据中心、超级计算与区块链、5G通信基站、储能/充电桩、微型光伏、城际高速铁路和城际轨道交通、家用电器以及特高压、航空航天、工业特种电源、UPS、电机驱动等领域。