碳化硅MOSFET电学参数的电容-电阻法评估

阈值电压、栅内阻、栅电容是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的重要电学参数,但受限于器件寄生电阻、栅介质界面态等因素,其提取过程较为复杂且容易衍生不准确性。文章通过器件建模和实验测试,揭示了MOSFET的栅电容非线性特征,构建了电容-电阻串联电路测试方法,研究了SiC MOSFET的栅内阻和阈值电压特性。分别获得栅极阻抗和栅源电压、栅极电容和栅源电压的变化规律,得到栅压为-10V时的栅内阻与目标值误差小于0.5Ω,以及串联电容相对栅源电压变化最大时的电压近似为器件阈值电压。相关结果与固定电流法作比较,并分别在SiC平面栅和沟槽栅MOSFET中得到验证。因此,该种电容-电阻法为SiC MOSFET器件所面临的阈值电压漂移、栅极开关振荡现象提供较为便捷的评估和预测手段。     

寄生电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响

相比于传统的Si IGBT功率器件而言,碳化硅MOSFET可达到更高的开关频率、更高的工作温度以及更低的功率损耗.然而,快速的暂态过程使开关性能对回路的寄生参数更加敏感.因此,为了评估寄生电感对碳化硅MOSFET开关性能的影响,基于回路电感的概念,将栅极回路寄生电感、功率回路寄生电感以及共源极寄生电感等效成3个集总电感,并且从关断过电压、开通过电流及开关损耗等3个方面,对这3个电感对SiC MOSFET开关性能的影响进行了系统的对比研究.研究表明:共源极寄生电感对开关的影响最大,功率回路寄生电感次之,而栅极回路寄生电感影响最小.最后,基于实验分析结果,为高速开关电路的布局提出了一些值得借鉴的意见.     

6.5 kV SiC光控晶闸管的研制

基于Sentaurus TCAD软件,研制了一款6.5 kV SiC光控晶闸管.通过优化雪崩击穿模型,对多层外延材料的规格及渐变终端技术进行研究,有效抑制了芯片表面峰值电场,实现了6.5 kV的耐压设计;此外结合实际应用需求,对器件的开通特性进行了仿真模拟.在4英寸(1英寸=2.54 cm)SiC工艺平台制备了6.5 kV SiC光控晶闸管,并对器件性能进行了测试.测试结果显示,芯片击穿电压超过6.5 kV,在4 kV电源电压以及365 nm波长紫外光触发的条件下,器件导通延迟约为200 ns,脉冲峰值电流约为2.1 kA,最大导通电流变化率(di/dt)达到6.3 kA/μs,测试结果与仿真模拟结果基本一致.     

SiC MOSFET驱动电路设计及特性分析

近年来基于SiC和GaN的宽禁带半导体器件开始逐渐替代传统的Si IGBT器件,而面对高的开关速度所带来的问题,宽禁带半导体器件的开关特性分析以及驱动电路的设计在系统可靠运行方面显得尤为重要。以SiC MOSFET模块C2M0280120D为例设计了一款驱动电路,并在双脉冲测试平台对驱动电路进行了验证,同时分析了不同栅极驱动电阻对SiC MOSFET开关特性的影响。比较了传统Si器件和SiC宽禁带半导体器件在静态特性和开关特性上的差异,以分析SiC MOSFET驱动与传统Si IGBT驱动的区别。最后验证了所设计的驱动电路能保证驱动速度和栅极电压需求,并通过栅极电阻改变开关特性。     

基于栅极限流的SiC MOSFET栅电荷测试方案

SiC MOSFET是一种高性能的电力电子器件,其开通/关断过程中积累/释放的栅电荷Q_g对MOSFET的开关速度、功率损耗等参数有重要影响。通常采用在栅极设置恒流源驱动,对时间进行积分的方法来测量Q_g。为了降低驱动复杂度,提高测试结果精度和可视性,基于双脉冲测试平台的感性负载回路,改用耗尽型MOSFET限制栅极电流实现恒流充电,对SiC MOSFET进行测试。同时利用反馈电阻将较小的栅极电流信号转换为较大的电压信号。实验结果表明：在误差允许范围(±5%)内该测试方案能较为准确地测得SiC MOSFET的Q_g,测试结果符合器件规格书曲线。     

车用SiC半桥模块并联均流设计与试制

SiC芯片并联均流是影响车用SiC半桥模块可靠性的关键问题。寄生电感的不一致是造成芯片间电流不均衡的主要原因。首先,在ANSYS Simplorer中建立了芯片双脉冲仿真电路,分别研究了漏极、源极和栅极寄生电感对芯片间均流性的影响。然后,采用混合优化的均流方法设计并制作了一个多芯片并联的SiC半桥模块,其中,功率端子采用双端结构以减小寄生电感;栅极采用开尔文连接结构以提高芯片开关速度;对芯片位置进行优化使各并联回路的寄生电感尽可能均匀分布。在ANSYS Q3D中提取的主回路寄生电感为6.5 nH;在Simplorer中进行仿真,电流不均衡度小于3%。实物测试结果表明,主回路寄生电感为10 nH,电流不均衡度小于5%,验证了该车用SiC半桥模块并联均流设计的可行性。     

TPAK SiC车用电机控制器功率单元的并联均流设计与实现

SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)作为车用电机控制器功率单元的核心器件，其并联不均流问题是影响电机控制器安全稳定运行的关键因素。对于热增强塑料封装(TPAK)SiC MOSFET功率模块实际应用中的不均流问题，首先通过理论推导和仿真，对影响SiC并联均流的器件参数、功率回路参数、驱动回路参数进行了全面的分析总结。然后结合仿真结果对电机控制器进行均流优化设计，其中包括对TPAK SiC MOSFET进行测试、筛选和分析，减小器件参数分散性的影响；基于器件开关特性，对功率模块的驱动回路采用单驱动器多推挽结构，减小驱动回路对并联均流的影响；设计了一种叠层母排结构，在ANSYS Q3D中提取到功率回路寄生电感为9.649 nH,采用ANSYS Q3D和Simplorer进行联合双脉冲仿真，电流不均衡度小于3%。最后，进行了电机控制器样机的试制及测试，实际测试结果表明电流不均衡度小于5%,验证了在车用电机控制器应用中TPAK SiC MOSFET模块均流设计的可行性。     

栅极电阻对GaN MOSFET瞬态特性的影响研究

为了研究栅极电阻对GaN MOSFET的开关速率和输出特性中出现振荡的影响,首先利用MOSFET的基本公式对其导通和关断时的输出瞬态电流进行了理论推导,然后通过实验平台测试GaN MOSFET的瞬态电流值,且与理论值对比,验证栅极电阻带来的影响。实验结果表明,GaN MOSFET的瞬态电流值实验值与理论值基本吻合,在导通和关断时,GaN MOSFET的输出瞬态电流和输出电流的高频震荡均随栅极电阻的增加而减小。栅极电阻从10 Ω变化到100 Ω时,导通时开关速率上升率占总开关速率上升率的84.7%,关断时开关速率下降率占总开关速率下降率的54.06%。在栅极电阻为10~100 Ω范围内,GaN MOSFET具有较快的开关速度。     

SiC MOSFET驱动与保护电路设计

介绍了SiC MOSFET驱动电路的设计要求,基于ACPL-355JC光耦驱动模块设计了SiC MOSFET驱动和保护电路。该电路具有驱动能力强、响应迅速和多种保护等优势。另外,针对SiC MOSFET开关过程中存在的瞬态电压尖峰和振荡问题,分析了SiC MOSFET开关过程中产生过电压和振荡的机理,并在此基础上提出一种RC吸收电路参数的计算方法。实验结果表明利用该方法设计的RC吸收电路能够有效解决SiC MOSFET在开关过程中的过电压和振荡问题﹐从硬件电路上有效降低开关噪声,从而保护功率器件。     

SiC MOSFET单粒子漏电退化的影响因素

高压功率器件是未来航天器进一步发展的关键,对SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)等高压大功率器件的抗辐射研究亟待突破。在不同偏置条件下对器件的单粒子效应(SEE)进行实验,结果表明,SiC MOSFET单粒子漏电退化效应与漏源电压、离子注量以及反向栅源电压呈正相关。为进一步研究SiC MOSFET单粒子效应机理,结合实验数据进行TCAD仿真,发现器件发生单粒子效应时存在两种失效模式,第一种失效模式与Si基MOSFET类似,而第二种失效模式与SiC器件的特有结构密切相关,容易形成更高的分布电压,导致栅氧化层烧毁失效。该结果为抗辐照加固器件的研究提供了理论支撑。     

高频控制开关用沟槽MOSFET的研究

高频控制开关用功率器件要同时具备极低的导通电阻和栅漏电荷值,从而降低导通损耗和开关损耗.基于器件与工艺模拟软件TsupremⅣ和Medici,研究了工艺参数和设计参数对沟槽MOSFET器件击穿电压、比导通电阻和栅漏电荷的影响,优化设计了耐压30 V的开关用沟槽MOSFET器件.对栅极充电曲线中平台段变倾斜的现象,运用沟道长度调制效应给出了解释.     

SiC MOSFET并联动态电流不均衡的无源补偿策略

SiC MOSFET分立器件的并联结构已在中大功率应用中广泛使用,为了充分利用并联的优势,需解决并联动态电流不均衡问题.在SiC MOSFET特性参数中,阈值电压是影响并联动态均流特性最主要的参数.通过建立SiC MOSFET双管并联的电路模型,探究了并联动态电流不均衡的补偿策略,推导了阈值电压对SiC MOSFET开关管动态均流程度影响的公式.建立了含寄生电感的双管并联电路模型,提出了两种双管并联动态电流不均衡的无源补偿策略,即基于共源极寄生电感的补偿策略以及基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略.通过仿真比较了两种无源补偿策略下的开关总损耗.最后,优化了基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略,并通过双脉冲实验验证了此并联补偿策略下的动态均流效果.     

用于直流变换器的SiC MOSFET驱动电路设计

碳化硅器件的优点不仅能提高电力电子装置功率密度,而且使设备体积小型化。文中设计了一种用于直流变换器的SiC MOSFET驱动电路,通过双脉冲电路对SiC MOSFET的动态特性进行测试,验证不同驱动电阻、不同频率对碳化硅功率器件特性的影响。在直流变换器中使用电压等级相同的SiC MOSFET和Si IGBT,对比开通和关断时间,将不同占空比对应的输出电压进行比较。利用PSpice软件仿真,结果显示驱动电路设计合理,验证了SiC MOSFET具有开关速度快、开关损耗小、驱动电阻小、工作频率高等优点,比Si IGBT控制的直流变换器输出电压误差小。     

6.5kV,5A4H-SiC功率DMOSFET器件

报道了在60μm厚、掺杂浓度1.3×10~(15) cm~(-3)的外延层上制备4H-SiC功率DMOSFET器件的研究结果。器件击穿电压大于6.5 kV,导通电流大于5 A,相对于之前的报道结果,器件导通能力提升了25倍。器件采用由55根环组成的,450μm宽的浮空场限环作为器件终端结构。通过1 250°C热氧化工艺和NO退火技术,完成器件栅介质层制备。通过横向MOSFET测试图形,提取器件峰值有效沟道迁移率为23 cm~2/(V·s)。器件有源区面积为0.09 cm~2,在栅极电压20 V、室温下,器件比导通电阻为50 mΩ·cm~2。在漏极电压6.5 kV时,器件漏电流为6.0μA,对应器件漏电流密度为30μA·cm~(-2)。基于此设计结构,通过设计实验,提取了SiC DMOSFET器件中电阻比例组成。     

碳化硅MOSFET开关瞬态模型

在碳化硅MOSFET大范围应用下,其开关瞬态过程愈发引人关注.由于碳化硅比起硅器件有更高的开关频率,因此其开关特性受到结电容和杂散电感的影响.对碳化硅MOSFET开关过程进行瞬态分析,推导了它的开关模型.通过开关模型提取出其电压变化率和电流变化率,在考虑杂散参数的基础之上寻找其与电压及电流变化率之间的联系.仿真及实验通...     

一种适合于OLED电视电源应用的新型超级结MOSFET

提出了一种新型超级结MOSFET结构,通过优化Si表面漂移区的杂质分布以抑制器件的结型场效应管(JFET)效应,改善器件特性。首先通过技术计算机辅助设计(TCAD)模拟并对比了新型超级结MOSFET和现有超级结MOSFET的电场强度分布、栅漏耦合电容随漏极电压的变化和开关过程,发现600 V新型超级结MOSFET比现有600 V超级结MOSFET的击穿电压提高了15 V、比导通电阻减小约3%,开关特性得到了大幅改善,器件关断时漏极电压尖峰降低41 V,栅极电压尖峰降低10 V。该新型超级结MOSFET在国内晶圆制造平台上成功制作,获得了优异的器件性能。在300 W有机发光二极管(OLED)电视电源板上进行替代纵向双扩散MOSFET(VDMOSFET)的对比测试,发现电源系统使用该新型超级结MOSFET比使用现有超级结MOSFET,其电磁干扰(EMI)性能改善了4.32～5.8 dB;与使用VDMOSFET相比,在保持EMI性能同等水平的同时,系统效率提高了0.52%。     

6.5kV,25 A 4H-SiC功率DMOSFET器件

<正>与硅IGBT相比,SiC高压功率DMOSFET器件的导通电阻和开关损耗更低,工作温度更高,在智能电网的应用中具有巨大的应用前景。南京电子器件研究所研制出一款6.5kV25ASiC功率DMOSFET器件。建立了高压SiC DMOSFET仿真模型并开展元胞结构设计,通过采用低界面态密度栅极氧化层制备以及JFET区选择掺杂等先进工艺技术,在60μm厚外延层上制备了6.5 kV SiC DMOSFET,芯片有源区尺寸37 mm~2。该器件击穿电压大于6.9 kV,导通电流大于25 A,峰值有效沟道迁移率为23 cm~2/(V·s),比导通电阻降低到44.3 mΩ·cm~2,缩小了与国际先进水平的差距。     

1200 V SiC MOSFET重复非钳位感性开关测试的退化机制研究

为了研究1200 V SiC MOSFET在重复非钳位感性开关(Unclamped-Inductive-Switching, UIS)应力下的电学参数退化机制，基于自行搭建的UIS实验平台以及Sentaurus仿真设计工具，首先深入分析了重复UIS测试后器件静态参数与动态参数的退化；接着基于FN隧穿公式对栅极漏电流数据进行拟合，得到随着UIS测试次数增加SiC/SiO₂界面的势垒高度从2.52 eV逐渐降低到2.06 eV;最后解释了SiC MOSFET在重复UIS测试后的电流输运过程。结果表明，在重复雪崩应力的作用下，大量的正电荷注入至结型场效应管区域上方的栅极氧化层中，影响了该区域的电场分布以及耗尽层厚度，导致被测器件(Device Under Test, DUT)的导通电阻、漏源泄漏电流、电容特性等电学参数呈现出不同程度的退化，并且氧化物中的正电荷的积累也使电子隧穿通过栅介质的电流得到了抬升。     

压接型IGBT内部栅极电压一致性影响因素及调控方法

压接型绝缘栅双极晶体管(IGBT)的驱动印制电路板(PCB)寄生参数不一致会引起瞬态过程中内部IGBT芯片栅极电压不一致,芯片不能同时开通,造成芯片的瞬态不均流.结合压接型IGBT驱动PCB结构及运行工况,建立了包含驱动源、芯片模型、驱动PCB的一体化电路模型,分析了栅极内电阻、栅射极电容以及驱动电阻对驱动电压一致性的影响.在此基础上提出了驱动PCB电感匹配、并联芯片数匹配以及集中电阻补偿的驱动PCB的调控方法,以实现对栅极电压一致性的有效调控.研究表明驱动电阻是造成芯片栅极电压不一致的主要因素.利用上述调控方法可将芯片开通时间的不均衡度由79.2％分别降低至2.86％、7.1％和7.5％,实验验证了所提出的驱动PCB调控方法的有效性.     

15 kV/10 A SiC功率MOSFET器件设计及制备

报道了在150μm厚、掺杂浓度5.0×1014 cm-3的外延层上制备15 kV/10A超高压SiC功率MOSFET器件的研究结果.对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件比导通电阻为204 mΩ· cm2,击穿电压大于15.7 kV,在...