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安全工作区外重复过电压硬开关下SiC MOSFET参数退化特性与机理
Parameter Degradation Characteristics and Mechanisms of SiC MOSFETs under Repetitive Overvoltage Hard-Switching Beyond Safe Operating Area
| 作者 | 张岩薛少鹏李阳李现亭刘进军 |
| 期刊 | 电工技术学报 |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 卷/期 | 第 40 卷 第 16 期 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 技术标签 | SiC器件 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 加速寿命测试 SiC MOSFET 栅氧化层退化 硬开关 张岩 薛少鹏 李阳 李现亭 刘进军 电工技术学报 Transactions of China Electrotechnical Society |
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受寄生电感或串联器件分压不均影响，SiC MOSFET可能承受超出安全工作区的短时过电压硬开关应力，导致参数退化或失效。现有可靠性研究多集中于安全工作区内长期静态工况，难以准确评估实际寿命。本文研究两种额定电压SiC MOSFET在过电压硬开关下的退化机制，并与栅极开关应力及静态过电压实验结果对比。结果表明：第一象限工作器件因栅氧化层退化，阈值电压Vth和导通电阻RDS(on)下降，栅极漏电流IGSS与漏极截止电流IDSS上升，动态特性随之改变；第三象限工作器件因堆垛层错扩展导致体二极管正向压降增加。结合实验与TCAD仿真，揭示热载流子注入是栅氧化层退化主因，Vth退化程度主要取决于开关次数与漏源电压。研究为SiC MOSFET在临界工况下的应用及变换器裕量设计提供了理论依据。
受寄生电感或串联器件分压不均影响,SiC MOSFET 可能承受偶发的、安全工作区(SOA)外的短时过电压硬开关应力,造成参数退化或器件损坏,而现有的功率器件可靠性研究主要集中于SOA内的长期静态工况,导致预期寿命与实际寿命偏差较大.该文研究过电压硬开关应力作用下两种不同额定电压的SiC MOSFET退化机制,并与栅极开关应力和静态过电压应力测试结果进行对比.由于栅氧化层退化,工作在第一象限的器件阈值电压Vth和导通电阻RDS(on)减小,栅极漏电流 IGSS和漏极截止电流 IDSS增加.同时,受阈值电压和跨导变化的影响,器件动态特性产生变化.对于工作在第三象限的器件,堆垛层错扩大造成其体二极管正向压降增加.结合不同过应力工况下的实验结果和TCAD仿真,明确器件栅氧化层退化的主要机制为高电场应力导致的热载流子注入,且阈值电压退化规律主要与开关次数及漏源电压相关.该研究为器件在临界工况中的应用及变换器的裕量设计提供了理论支撑.
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SunView 深度解读
该研究揭示的SiC MOSFET过电压硬开关退化机理对阳光电源功率器件应用具有重要价值。在ST系列储能变流器和SG系列光伏逆变器中，母线电压波动、寄生电感振荡及串联器件分压不均常导致SiC器件承受瞬态过电压应力。研究发现的热载流子注入导致Vth和RDS(on)退化、体二极管压降增加等机制，可指导PowerTitan大型储能系统的功率模块裕量设计，优化三电平拓扑中器件串联均压策略。结合TCAD仿真方法，可建立器件寿命预测模型，应用于iSolarCloud平台的预测性维护，提升1500V高压系统和车载OBC充电机的长期可靠性，为临界工况下的器件选型和保护电路设计提供理论依据。