← 返回
储能系统技术 储能系统 SiC器件 工商业光伏 ★ 4.0

商用1.2-kV SiC沟槽型MOSFET在重复短路应力下的失效与退化分析

Failure and Degradation Analysis of Commercial 1.2-kV SiC Trench MOSFETs Under Repetitive Short-Circuit Stress

作者 Hengyu Yu · Michael Jin · Limeng Shi · Monikuntala Bhattacharya · Jiashu Qian · Shiva Houshmand
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年2月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 工商业光伏
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅沟槽MOSFET 重复短路应力 失效机制 退化模式 阈值电压
语言:

中文摘要

本研究对承受重复短路(RSC)应力的先进商用1.2 kV碳化硅(SiC)沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的失效机制和退化模式进行了深入分析。对两种商用沟槽MOSFET,即增强型双沟槽MOSFET(RDT - MOS)和非对称沟槽MOSFET(AT - MOS),在最大单次短路(SC)能量的50%、漏源电压为800 V的条件下进行了测试。通过分析漏电流路径确定了失效机制,主要包括介电层的热致破裂以及高温导致的沟槽失效。与单次短路测试中失效主要由热失控驱动不同,重复短路应力下的失效归因于持续的热应力和机械应力导致的介电层开裂。此外,RDT - MOS由于沟槽角处结温升高而出现沟槽失效。在重复短路过程中,阈值电压(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}\text {)}$ </tex - math></inline - formula>)和亚阈值摆幅(SS)均出现退化。两种器件均表现出阈值电压(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex - math></inline - formula>)的双向漂移,这归因于界面处的电子俘获和空穴注入,而RDT - MOS的亚阈值摆幅显著增加,表明在重复短路应力下产生了新的界面陷阱。

English Abstract

This study offers an in-depth analysis of failure mechanisms and degradation patterns in the state-of-the-art commercial 1.2-kV SiC trench MOSFETs subjected to repetitive short-circuit (RSC) stress. Two commercial trench MOSFETs, specifically the reinforced double-trench MOSFET (RDT-MOS) and asymmetric-trench MOSFET (AT-MOS), were tested at 50% of the maximum single short-circuit (SC) energy, with a drain-source voltage of 800 V. The failure mechanisms were identified through the analysis of leakage current paths, primarily involving thermally induced fractures in the dielectric layer and trench failures caused by elevated temperatures. Unlike single SC tests, where failure is primarily driven by thermal runaway, failure under RSC stress is attributed to cracking of the dielectric layer due to sustained thermal and mechanical stress. In addition, RDT-MOS experienced trench failures due to elevated junction temperature concentrated at the trench corners. Degradation during RSC was observed in both the threshold voltage ( V_ th ) and subthreshold swing (SS). Both devices exhibited bidirectional V_ th shifts, attributed to electrons trapping and holes injection at the interface, while RDT-MOS showed a pronounced increase in SS, indicating the generation of new interface traps under RSC stress.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于1.2kV SiC沟槽MOSFET在重复短路应力下的失效机制研究具有重要的工程应用价值。SiC功率器件是我们光伏逆变器和储能变流器核心功率拓扑的关键元件,其可靠性直接影响系统的安全性和全生命周期成本。

该研究揭示了两种商用沟槽型SiC MOSFET在重复短路工况下的独特失效模式。不同于单次短路的热失控机制,重复短路应力导致的介质层热机械应力开裂和沟槽结构失效更贴近实际应用场景。在光伏逆变器和储能系统中,电网故障、负载突变等异常工况可能引发重复性短路事件,这使得该研究对我们的产品设计和器件选型具有直接指导意义。

研究发现RDT-MOS和AT-MOS两种结构表现出差异化的退化特征,特别是RDT-MOS在沟槽拐角处的结温集中问题和明显的亚阈值摆幅增加,提示我们在高功率密度设计中需要特别关注器件的热管理和结构选型。阈值电压的双向漂移和界面陷阱生成机制的揭示,为我们优化栅极驱动策略、设定合理的降额设计裕量提供了理论依据。

从技术成熟度看,1.2kV SiC器件已在我们的产品中广泛应用,但该研究暴露的长期可靠性问题提醒我们需要建立更完善的短路保护机制和在线健康监测功能。这既是技术挑战,也是差异化竞争的机遇——通过深入理解失效物理,我们可以开发更智能的保护算法和预测性维护方案,提升系统可靠性,这对于储能等要求25年以上运行寿命的应用场景尤为关键。