SiC功率MOSFET器件研制进展

碳化硅(SiC)功率金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)以其优越的性能受到广泛关注,但受限于器件设计和工艺技术水平,器件的潜力尚未得到充分发挥。介绍了SiC功率MOSFET的结构设计和加工工艺,采用一氧化氮(NO)栅氧退火工艺技术研制出击穿电压为1 800 V、比导通电阻为8mΩ·cm~2的SiC MOSFET器件,测试评价了器件的直流和动态特性,关断特性显著优于Si IGBT。评估了SiC MOSFET器件栅氧结构的可靠性,器件的栅氧介质寿命及阈值电压稳定性均达到工程应用要求。     

SiC MOSFET功率器件特性参数的提取与拟合

为了对碳化硅(SiC) MOSFET功率器件的特性参数进行全面的研究,提出了一种碳化硅(SiC) MOSFET变温度参数模型,该模型考虑了功率器件中封装引脚寄生电感、内部寄生电容、体二极管等特性参数,并根据器件的开关过程中的不同阶段,将功率器件中的导电沟道等效为不同电路模型。为获取该模型中的涉及的特性参数,搭建了基于Agilent B1505A功率半导体分析仪和矢量网络分析仪(VNA)的测试平台对SiC MOSFET功率器件的静态特性参数进行了全面测量,然后使用基于贝叶斯正则化LM算法的改进BP人工神经网络对所测的数据进行非线性拟合。结果表明,相较于传统拟合方法,该方法具有更高的精确度与泛化能力,为SiC MOSFET功率器件建模与参数分析提供了重要依据。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。     

基于新型1200V碳化硅(SiC)MOSFET的三相双向逆变器的研究

研究了基于新一代宽禁带1 200 V碳化硅(SiC)MOSFET三相双向逆变器,由于SiC MOSFET的高耐压、低损耗、高开关频率特性,逆变电路的拓扑结构得到简化,并提高了功率密度和可靠性。同时,利用碳化硅MOSFET的双向第三象限导通特性,与硅基IGBT相比省略了开关器件的反并联二极管。20 k VA实验样机验证了在该中大功率三相双向逆变器中SiC MOSFET相比硅基IGBT方案的优势。     

SiC MOSFETs与Si IGBTs的性能对比研究

通过采用双脉冲测试方法,以具有相同电流额定值的SiC MOSFET CMF10120D(1 200V/24A)和Si IGBT IKW25T120(1 200 V/25 A)作为样本,在相同测试条件下研究了两种器件的动态特性、反并联二极管的反向恢复特性和开关损耗。研究发现,SiC MOSFET的开关速度快,开关损耗仅为Si IGBT的69%。最后,利用IPOSIM对两种器件应用于三相逆变器中的结温进行对比研究。结果表明,在输出频率为50 Hz时,Si IGBT的最大结温为166℃,已超过允许的150℃,结温波动为37℃,而SiC MOSFET的最大结温仅为105℃,结温波动仅为19℃;反并联二极管的结温波动基本相同,但Si IGBT反并联二极管的最大结温要高出26℃。因而,在大功率、高温电力电子变换器的应用中,SiC MOSFET更具优越性。     

基于第一性原理的碳化硅界面态机制研究进展

碳化硅(SiC)金属–氧化物–半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)具有低导通电阻及高击穿临界场强等特点,在高压开关器件领域有着较为广阔的应用及发展前景。但由于SiC/SiO_2具有较高的界面态密度,使得器件反型沟道电子迁移率过低,从而严重阻碍SiC器件的广泛应用。为有效地控制界面态,回顾了国内外对SiC/SiO_2界面态的第一性原理研究进展,分析界面态的形成机制,讨论近导带边界中高界面态的根本原因,为SiC器件工艺制备提供理论指导。     

SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究

详细分析了新型功率器件SiC MOSFET的结构特点及其寄生体二极管的反向恢复机理,推导了反向恢复过程的电压与电流计算;同时,搭建了双脉冲实验测试平台,通过实验和仿真的方法,测试了不同关断电压、正向导通电流和串联寄生电感这些最常见的外部因素对SiC MOSFET寄生体二极管反向恢复特性的影响;此外,对比测试了同电压等级的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生体二极管和快恢复二极管的反向恢复性能。相关结果表明SiC MOSFET寄生体二极管可以作为变换器中的续流通道而不必额外再单独反并联快恢复二极管,对实际工程应用有一定的借鉴意义。     

DC/DC变换电路中开关器件损耗计算及仿真

根据开关器件的物理模型,分析并计算了开关器件在DC/DC变换电路中的功率损耗。针对工程应用中开关器件损耗计算的实时性和精确性要求,利用功率开关器件手册提供的产品参数,分别计算了逆变部分的SiC MOSFET模块和整流部分的整流二极管的器件损耗。将计算值与PLECS仿真结果进行对比,结果表明该计算方法可得到较为准确的计算损耗,进一步提高了工程应用中损耗计算的准确性。     

基于碳化硅功率器件的高频感应焊机设计

高频感应焊机可用于钢管直缝焊接,主要特点为开关频率高和设备功率大,功率器件为硅MOSFET和硅快恢复二极管。由于硅基功率器件的特性限制,高频感应焊机的效率、容量和成本受到了一定制约。随着碳化硅功率器件技术的不断成熟,其性能特点尤其适用于大功率高频感应焊机设备。通过对硅和碳化硅功率器件参数进行对比分析,使用碳化硅功率器件对现有串联型高频感应焊机主电路进行优化,并设计了适用于多器件并联的SiC MOSFET驱动电路和功率单元。最后,搭建了1台100 kW/500 kHz的SiC MOSFET串联型高频感应焊机样机,进行实验测试。实验结果表明,所设计的高频感应焊机性能和焊接效率均高于现有设备。     

基于电致发光效应的非接触式碳化硅MOSFET结温在线检测方法研究

碳化硅(silicon carbide,SiC)金属半导体场效应管(metal semiconductor field effect transistor,MOSFET)以其优异的材料特性成为一种很有前景的高功率密度和效率的器件,其工作结温是评估器件运行可靠性的关键指标。文中提出一种基于SiC MOSFET体二极管电致发光效应的非接触式的在线结温检测方法。首先从理论角度分析SiC MOSFET体二极管电致发光的原理,并对电致发光的光谱特性进行研究,分析和比较可用于结温测量的3种温敏光参数。其次通过检测具备负温度系数的发光峰光强,并辅以对SiC MOSFET体二极管导通电流的检测,实现了结温的动态提取,检测分辨率达3.1mV/℃。并且在Buck电路中验证该方法的可行性,检测误差在±3℃以内。该方法基于SiC MOSFET体二极管的电致发光检测,具备固有电气隔离的特点,特别适用于高压应用场合下SiC MOSFET的非接触式结温检测。     

Al/SiC肖特基势垒二极管

报道了用热蒸发A1作肖特基接触在SiC材料上制作肖特基二极管的工艺过程和器件特性。采用射频溅射法在Si(111)衬底上生长SiC薄膜。I－Ⅴ特性测量说明Al/SiC SBD有较好的整流特性，热电子发射是其主要的输运机理。反向击穿电压为22．5V，理想因子为1．19，肖特基势垒高度为1．48eV。     

A comparative evaluation of new silicon carbide diodes and state-of-the-art silicon diodes for power electronic applications

Recent progress in silicon carbide (SiC) material has made it feasible to build power devices of reasonable current density. This paper presents results including a comparison with state-of-the-art silicon diodes. Switching losses for two silicon diodes (a fast diode, 600 V, 50 A, 60 ns Trr), an ultrafast silicon diode (600 V, 50 A, 23 ns Trr), and a 4H-SiC diode (600 V, 50 A) are compared. The effect of diode reverse recovery on the turn-on losses of a fast insulated gate bipolar transistor (IGBT) are studied both at room temperature and at 150 /spl deg/C. At room temperature, SiC diodes allow a reduction of IGBT turn-on losses by 25% compared to ultrafast silicon diodes and by 70% compared to fast silicon diodes. At 150 /spl deg/C junction temperature, SiC diodes allow turn-on loss reductions of 35% and 85% compared to ultrafast and fast silicon diodes, respectively. The silicon and SiC diodes are used in a boost converter with the IGBT to assess the overall effect of SiC diodes on the converter characteristics. Efficiency measurements at light load (100 W) and full load (500 W) are reported. Although SiC diodes exhibit very low switching losses, their high conduction losses due to the high forward drop dominate the overall losses, hence reducing the overall efficiency. Since this is an ongoing development, it is expected that future prototypes will have improved forward characteristics.     

Investigations of SiC merged pin Schottky diodes under isothermal and non‐isothermal conditions

The paper concerns the problem of SPICE modeling of the merged pin Schottky (MPS) diodes. In the paper, the SPICE electrothermal model (ETM) of the SiC MPS diodes proposed by Infineon Technologies is investigated. The model was verified experimentally by comparing the calculated and the measured d.c. characteristics of the diode IDT06S60C. Some modifications of the model resulting in the improvement of its accuracy at d.c. analysis are proposed. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

3 300V SiC SBD嵌入式MOSFET研制

研制了一种3 300 V 碳化硅（silicon carbide, SiC） 肖特基二极管（schottky barrier diodes,SBD）嵌入式金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistors,MOSFET）,即在传统MOSFET结构中集成一个由钛形成的肖特基接触。在芯片制造过程中,通过增加Ni退火后的表面处理工艺,使得栅源短路失效率降低约58%。研究发现,当二极管电流密度J_SD=100 A/cm²时,嵌入式二极管电压降V_SD（SBD）=2.1 V,寄生二极管的开启电压约为8 V,这说明嵌入式SBD可以抑制MOSFET寄生二极管开启,降低碳化硅MOSFET“双极退化”风险。另外,该芯片的阈值电压为3.05 V,比导通电阻和阻断电压分别为18.9 mΩ·cm²和3 955 V,在高压轨交市场具有广阔的应用前景。     

SPICE modelling of power Schottky diodes

The paper concerns the problem of modelling of silicon and silicon carbide power Schottky diodes. The SPICE built‐in isothermal model of silicon diodes and the electrothermal model of silicon carbide Schottky diodes proposed by Infineon Technologies are investigated and modified. The quality of Schottky diodes modelling is estimated by measurements. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

SiC肖特基二极管在大功率PFC中的应用

有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,简称APFC)是大功率电源应用的一项关键技术.分析了Boost PFC电路中半导体器件的开关损耗以及SiC肖特基二极管的工作特性.SiC肖特基二极管可以有效降低开关损耗,并有助于大功率APFC电路实现高频率应用.在一台3.6kW的样机上,利用SiC肖特基二极管实现了150 kHz的开关工作频率.     

Thermomechanical Reliability of Low-Temperature Sintered Silver Die Attached SiC Power Device Assembly

A thermomechanical reliability study was conducted on a low-temperature sintered silver die attached SiC power device assembly. The silver die attachment was formed by sintering nanoscale silver paste in air at 300 degC to form a strong bond between silver- or gold-coated direct-bond-copper substrates and silver-metallized SiC Schottky diodes. Using the 50% drop in the die-shear strength as the failure criterion, an accelerated thermal cycling experiment between 50 degC and 250 degC showed that the silver die attachment can survive more than 4000 cycles, indicating its high thermomechanical reliability at the interested temperature range. Established mainly by scanning electron microscopy/energy-dispersive spectroscopy, the drop of the die-shear strength during the thermal cycling was attributed to the pile-up of creeping dislocations to form microcavities at the grain boundaries of the sintered silver     

SiC肖特基二极管在升压斩波电路中的应用分析

对碳化硅(SiC)肖特基二极管(SBD)在升压斩波电路中的应用进行了深入研究.实验中分别对普通Si二极管和SiC SBD进行了比较,结果表明,SiC二极管具有良好的动态特性,其反向恢复电流约为普通Si二极管的1/4,同时对IGBT开通时的电流过冲有很好的抑制作用.此外,对载流子寿命对二极管反向恢复的影响进行了仿真分析,...     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。     

聚对苯乙炔材料的合成及其在平面光源中的应用

针对烷氧基取代聚对苯乙炔(PPV)衍生物存在电子亲合势低的问题,合成了苯环上同时含有给电子和吸电子基团的新型PPV材料,并对聚合物的结构与性能进行了表征.基于该材料,采用单层器件物理结构,制作了平面光源.亮度-电压及电流-电压测试曲线表明该器件的开启电压为6V,具有较好的正向导通性能;在16V电压下,亮度可达10000cd/m2.