碳化硅MOSFET的經(jīng)濟(jì)高效且可靠的大功率解決方案

碳化硅已被證明是高功率和高電壓設(shè)備的理想材料。但是，設(shè)備的可靠性極其重要，我們不僅指短期可靠性，還指長期可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和堅(jiān)固性是碳化硅成功的關(guān)鍵。全球有 30 多家公司已將 SiC 技術(shù)作為其功率器件生產(chǎn)的基礎(chǔ)。此外，幾家領(lǐng)先的功率模塊和功率逆變器制造商已經(jīng)為未來基于 SiC 的產(chǎn)品的路線圖奠定了基礎(chǔ)。碳化硅 （SiC）MOSFET 即將徹底取代硅功率開關(guān)；該行業(yè)需要能夠應(yīng)對不斷變化的市場的新驅(qū)動和轉(zhuǎn)換解決方案。

性能和可靠性

可以通過在 SiC 功率器件上運(yùn)行 HTGB（高溫柵極偏置）和 HTRB（高溫反向偏置）應(yīng)力測試來評估性能。Littelfuse 已在 175 °C 的溫度下對 1200V、80mΩ SiC MOSFET 進(jìn)行了壓力測試，使用不同的 V GS值并對器件施加壓力長達(dá) 1000 小時。結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1：HTRB 和 HTGB 壓力測試結(jié)果

盡管取得了優(yōu)異的成績，HTGB+測試（V GS =+25V，T=175°C）的持續(xù)時間已延長至5500小時，而HTGB-測試的持續(xù)時間（V GS =-10V，T=175°C ） 已延長至 2700 小時。即使在這些情況下，也觀察到了最小偏差，證實(shí)了 SiC MOSFET 在這些條件下的性能和可靠性。

柵極氧化物是碳化硅 MOSFET 的關(guān)鍵元件，因此其可靠性極為重要。柵極氧化層可靠性的評估分為兩部分。第一部分基于 TDDB（時間相關(guān)介質(zhì)擊穿）測試。根據(jù)施加在柵極氧化物上的電場（從 6 到 10 MV/cm），器件壽命會發(fā)生很大變化。圖 2 顯示了該測試在不同溫度下的結(jié)果。在第二部分中，對常見的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 進(jìn)行了加速柵極氧化物壽命測試。兩個測試結(jié)果之間的密切一致性證實(shí)了 SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和 V GS = 25V下運(yùn)行時，預(yù)計使用壽命超過 100 年。

圖 2：加速柵極氧化物壽命測試的結(jié)果

短路魯棒性

與碳化硅技術(shù)相關(guān)的另一個重要方面是短路魯棒性。為了檢查其碳化硅功率器件的短路穩(wěn)定性，Littelfuse開發(fā)了自己的特定測試板。該電路如圖 3 所示，包括一個 1200V 80mΩ SiC MOSFET （DUT）、一個僅用于安全原因的 IGBT （Q1） 和三個電容器。結(jié)果如圖 4 所示，取決于施加的柵極電壓（12V、15V、18V 或 20V），短路耐受時間會發(fā)生顯著變化。

圖 3：短路測試電路

圖 4：不同柵極電壓下的短路耐受時間

最長的時間（約 15μs）是在最低柵極電壓（12V）下獲得的。此外，峰值電流強(qiáng)烈依賴于柵極電壓，從 20V 柵極電壓下的幾乎 300A 下降到 12V 柵極電壓下的大約 130A。即使碳化硅 MOSFET 的短路耐受時間比 IGTB 的短路耐受時間短，SiC 器件也可以通過集成到柵極驅(qū)動器 IC 中的去飽和功能得到保護(hù)。

審核編輯：郭婷