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电动汽车驱动 SiC器件 ★ 5.0

栅极开关不稳定性下1700 V平面栅SiC MOSFET的退化依赖性分析与建模

Degradation Dependency Analysis and Modeling of 1700 V Planar-Gate SiC MOSFETs Under Gate Switching Instability

作者 Cen Chen · Zicheng Wang · Xuerong Ye · Yifan Hu · Haodong Wang · Hao Chen
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 栅极开关不稳定性 可靠性 加速退化模型 阈值电压漂移
语言:

中文摘要

碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)在各种电力电子应用中日益普及。然而,与栅极氧化物相关的重大可靠性问题阻碍了它们的广泛应用。交变栅极偏置下的阈值电压漂移,通常称为栅极开关不稳定性(GSI),对可靠性构成了重大挑战。鉴于碳化硅 MOSFET 在功率转换器中广泛使用,与传统的偏置温度不稳定性相比,研究 GSI 具有实际意义。本研究系统地探究了 1700 V 平面栅碳化硅 MOSFET 对栅极偏置、温度和开关时间等因素的依赖性,并基于物理解释给出了加速因子的形式。在此基础上,首次开发了一种加速退化模型,以量化应力对 GSI 的影响。本研究增进了对 GSI 的理解,并为碳化硅 MOSFET 在 GSI 下的退化建模和预测奠定了基础框架。

English Abstract

Silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (mosfets) are becoming increasingly prevalent in various power electronic applications. However, their widespread adoption is hindered by significant reliability issues related to the gate oxide. The threshold voltage drift under alternating gate bias, commonly referred to as gate switching instability (GSI), presents a substantial challenge to reliability. Given the widespread use of SiC mosfets in power converters, researching GSI is of practical significance compared to conventional bias temperature instability. This study systematically investigated the dependence of 1700 V planar-gate SiC mosfets on factors, such as gate bias, temperature, and switching time, and also provided the form of acceleration factor based on the physical explanation. Based on this, an accelerated degradation model was developed to quantify the impact of stresses on GSI for the first time. This research enhances the understanding of GSI and establishes a foundational framework for modeling and predicting the degradation of SiC mosfets under GSI.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务场景来看,这项关于1700V平面栅SiC MOSFET栅极开关不稳定性(GSI)的研究具有重要的工程应用价值。在我们的大功率光伏逆变器和储能变流器产品中,1700V级SiC MOSFET正逐步替代传统IGBT成为核心功率器件,其高频开关特性和低损耗优势能够显著提升系统效率和功率密度。然而,栅极氧化层可靠性问题一直是制约SiC器件大规模应用的关键瓶颈。

该研究系统分析了栅极偏置、温度和开关时间对阈值电压漂移的影响机制,并首次建立了GSI加速退化模型。这对我们的产品设计具有三方面价值:首先,通过量化模型可以更精确地预测器件在实际工况下的长期性能退化轨迹,为25年以上生命周期的光伏系统提供可靠性设计依据;其次,加速因子的物理解释有助于优化栅极驱动策略,在开关频率、驱动电压与可靠性之间找到最佳平衡点;第三,该模型可集成到我们的数字孪生系统中,实现储能变流器的预测性维护。

从技术成熟度看,该研究仍处于实验室表征阶段,距离工程化应用尚需验证多批次器件的一致性和模型的普适性。对阳光电源而言,关键挑战在于如何将该模型与实际复杂工况(如温度循环、湿度、电网扰动等多重应力)相结合。建议与器件供应商深度合作,基于该模型建立针对性的筛选和老化测试规范,同时在下一代产品中探索自适应栅极驱动技术,动态调整驱动参数以延缓GSI退化,这将成为我们在高可靠性电力电子系统领域的差异化竞争优势。