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碳化硅MOSFET的经济高效且可靠的大功率解决方案

孙成红 来源:Actel视频 作者:Actel视频 2022-08-09 08:02 次阅读

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。

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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。

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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。

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图 3:短路测试电路

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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IC 中的去饱和功能得到保护。

审核编辑:郭婷

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