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储能系统技术 储能系统 SiC器件 可靠性分析 ★ 4.0

碳化硅MOSFET在漏极应力下的动态阈值电压漂移

Dynamic Threshold Voltage Drift of Silicon Carbide MOSFET With Drain Stress

作者 Huapping Jiang · Yao Li · Xinxin Li · Mengya Qiu · Nianlei Xiao · Lei Tang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年7月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 阈值电压漂移 漏极应力 测试平台 TCAD模拟
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)因其卓越的性能而广受青睐。然而,可靠性问题阻碍了其快速发展,其中阈值电压漂移是关键问题之一。尽管静态和动态栅极应力下的阈值电压漂移已得到广泛研究,但漏极应力引起的阈值电压漂移却很少受到关注。在本研究中,开发了一个专门用于碳化硅 MOSFET 的测试平台,该平台能够独立且解耦地施加栅极和漏极应力。此外,漏极应力可进一步分解为电压和电流分量,以便进行更详细的分析。另外,采用技术计算机辅助设计(TCAD)仿真来研究不同应力模式引起的不同阈值电压漂移的潜在机制。研究发现,漏极应力对阈值电压漂移有显著影响,不可忽视。此外,漏极应力和栅极应力之间存在耦合效应。这些研究结果旨在为电力电子器件应用中的阈值电压漂移提供更好的管理和应对策略。

English Abstract

Silicon carbide (SiC) MOSFETs are widely favored for their excellent performance. However, reliability concerns have hindered their rapid development, with threshold voltage drift being one of the key concerns. Although threshold voltage drift under static and dynamic gate stress has been widely investigated, limited attention has been paid to the threshold voltage drift induced by drain stress. In this work, a dedicated test platform for SiC MOSFETs was developed, enabling independent and decoupled application of gate and drain stresses. Moreover, the drain stress can be further decomposed into voltage and current components for more detailed analysis. In addition, TCAD simulations were used to investigate the mechanisms underlying the different threshold voltage drifts induced by various stress modes. It was found that drain stress has a noticeable effect on threshold voltage drift, which cannot be neglected. Moreover, there is a coupling effect between drain and gate stresses. These findings aim to provide better management and coping strategies for threshold voltage drift in power electronic device applications.
S

SunView 深度解读

作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源在产品设计中大量采用碳化硅(SiC)MOSFET以提升系统效率和功率密度。该论文揭示的漏极应力导致的阈值电压漂移现象,对我司产品的长期可靠性具有重要指导意义。

在光伏逆变器和储能变流器应用中,SiC MOSFET不仅承受高频栅极开关应力,更面临复杂的漏极电压和电流波动。论文通过解耦测试平台发现漏极应力对阈值电压漂移的显著影响,以及漏-栅应力的耦合效应,这与我司产品实际工况高度吻合。传统可靠性评估主要关注栅极应力,该研究填补了漏极应力影响的认知空白,为我司建立更精准的器件寿命预测模型提供了理论依据。

从技术应用价值看,该研究成果可直接应用于我司产品的三个层面:首先,在器件选型阶段,需将漏极应力耐受性纳入供应商评估体系;其次,在电路设计中,通过优化调制策略和缓冲电路降低漏极应力峰值;最后,在系统层面建立考虑多应力耦合的健康管理算法,实现预测性维护。

当前该技术仍处于学术研究阶段,TCAD仿真结果需要大规模实证验证。对阳光电源而言,机遇在于可联合器件供应商开展定制化可靠性测试,建立行业领先的SiC器件应用标准。挑战则在于需投入资源建设专业测试平台,并在现有产品上开展长期跟踪验证。建议将该研究纳入公司技术预研计划,与高校和器件厂商建立联合实验室,抢占SiC应用可靠性技术制高点,巩固我司在高端逆变器市场的竞争优势。