← 返回
电动汽车驱动 SiC器件 ★ 5.0

SiC功率MOSFET中单粒子烧毁的热动力学

Thermal Dynamic of Single-Event Burnout in SiC Power MOSFETs

作者 Yiping Xiao · Chaoming Liu · Leshan Qiu · Mingzheng Wang · Tianqi Wang · Yun Bai
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年9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 单粒子烧毁 碳化硅MOSFET 损伤演化机制 电流拥挤效应 雪崩击穿
语言:

中文摘要

单粒子烧毁(SEB)在碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应用于航空航天环境时对其构成了重大威胁,通过离子诱发的热失控效应导致器件永久性功能失效以及系统层面的风险。然而,目前对于详细的热响应过程和触发机制仍缺乏充分的了解。在本研究中,采用了一种新颖的限流方法来研究SiC MOSFET的SEB损伤演化过程和机制。实验结果表明,SEB事件可分为三个不同阶段:首先是p - n结处的初始损伤,随后损伤转移至源极金属/SiC拐角处,在此处晶格共晶引发p - n结退化加剧,最后当n - n结达到SiC升华温度时发生烧毁。后续的仿真结果表明,SiC表面的电流聚集效应和n - n结处的雪崩击穿是SEB过程的关键因素。这些发现为理解离子诱发的SiC功率器件灾难性现象提供了有价值的见解。

English Abstract

Single-event burnout (SEB) poses a significant threat to silicon carbide (SiC) MOSFETs when operating in aerospace environments, resulting in permanent functional failures of the device and system-level risks through ion-induced thermal runaway effects. However, the detailed thermal response process and triggering mechanism remain inadequately understood. In this study, a novel current-limiting method was used to investigate the SEB damage evolution process and mechanism in SiC MOSFETs. Experimental results show that the SEB events can be divided into three distinct stages: initial damage at the p-n-junction, followed by a shift to the source metal/SiC corner, where lattice eutectic triggers intensified p-n-junction degradation, and final burnout when the n-n-junction reaches SiC sublimation temperature. Subsequent simulation results show that the current crowding effect at the SiC surface and avalanche breakdown at the n-n-junction are critical contributors to the SEB process. The findings provide useful insights into understanding the ion-induced catastrophic phenomena in SiC power devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于SiC功率MOSFET单粒子烧毁(SEB)的研究具有重要的技术参考价值。尽管该研究聚焦于航空航天环境下的辐射效应,但其揭示的热失控机理对我们在地面应用中提升SiC器件可靠性同样具有启发意义。

当前,阳光电源在光伏逆变器和储能变流器中已大规模应用SiC功率器件,以实现更高的功率密度和转换效率。该论文通过限流实验方法揭示的SEB三阶段演化过程——从p-n结初始损伤、源极金属/SiC界面共晶反应,到n-n结达到SiC升华温度的最终烧毁——为我们理解器件在极端工况下的失效路径提供了精细化的物理图景。特别是电流拥挤效应和雪崩击穿这两个关键因素,在地面应用的短路、浪涌等异常工况中同样存在,可能导致类似的热累积和器件退化。

从应用价值看,该研究的发现可直接指导我们优化器件选型标准和保护策略设计。例如,在逆变器IGBT/SiC模块的热管理设计中,需特别关注源极金属接触界面的热应力分布;在短路保护算法中,应考虑p-n结和n-n结的差异化响应特性,设置更精准的保护阈值。

技术挑战在于将航空航天级的可靠性研究方法转化为工业级的快速验证手段。机遇则在于,通过深入理解SiC器件的失效物理机制,阳光电源可建立更完善的器件寿命预测模型,在高温、高海拔等严苛环境应用中形成差异化的技术优势,进一步巩固在新能源电力电子领域的领先地位。