如何通過調整門極驅動負壓,來限制SiC MOSFET閾值漂移的方法

如何通過調整門極驅動負壓，來限制SiC MOSFET閾值漂移的方法

李倩 發表於 2018-11-08 16:48:26

近年來，寬禁帶半導體SiC器件得到了廣泛重視與發展。SiC MOSFET與Si MOSFET在特定的工作條件下會表現出不同的特性，其中重要的一條是SiC MOSFET在長期的門極電應力下會產生閾值漂移現象。本文闡述了如何通過調整門極驅動負壓，來限制SiC MOSFET閾值漂移的方法。

Vth漂移現象

由於寬禁帶半導體SiC的固有特徵，以及不同於Si材料的半導體氧化層界面特性，會引起閾值電壓變化以及漂移現象。為了理解這些差異，解釋這些差異與材料本身特性的關係，評估其對應用、系統的影響，需要更多的研究及探索。

就靜態門極偏置而言，針對Si器件閾值特性的標準測試流程並不適用於SiC MOSFET。因此，一種新的測試方法——測試-偏置-測試——被用來評估SiC MOSFET的BTI（Bias-Temperature Instabilities，偏壓溫度不穩定性）特性。它可以區分可恢復的Vth漂移以及永久性的閾值漂移。這種測量技術已經用來對最新發布的SiC MOSFET的閾值穩定性進行了深度研究，結果表明英飛凌CoolSiC MOSFET Vth穩定性在眾多的器件中表現優異，具有極低的BTI以及非常窄的閾值漂移窗口。

英飛凌對CoolSiC MOSFET在不同的開關條件下進行了長期的研究測試。數據顯示，長期的開關應力會引起Vth的緩慢增加。這一現象，在不同品牌、不同技術的SiC MOSFET上均可以觀測到。相同偏置條件下不同器件的Vth漂移值是相似的。Vth上升會引起Rds(on)的輕微上升，長期影響是通態損耗會增加。

需要注意的是，器件的基本功能不會被影響，主要有：

1、耐壓能力不會受影響

2、器件的可靠性等級，如抗宇宙射線能力，抵抗溼氣的能力等不會受影響。

3、Vth漂移會對總的開關損耗有輕微影響

影響Vth漂移的參數主要包括：

1、開關次數，包括開關頻率與操作時間

2、驅動電壓，主要是Vgs(off)

以下參數對開關操作引起的Vth漂移沒有影響

1、結溫

2、漏源電壓

3、漏極電流

4、dv/dt, di/dt

Vth漂移對應用的影響

長期來看，對於給定的Vgs, 閾值漂移的主要影響在於會增加Rds(on)。通常來說，增加Rds(on)會增加導通損耗，進而增加結溫。在計算功率循環時，需要把這個增加的結溫也考慮進去。

結溫的增加是否需要格外重視取決於實際應用及工況。在很多案例中，即便是20年工作壽命到期後，結溫的增加仍然可以忽略不計。然而在另一些應用中結溫的增加可能就會很重要。因此，在這種情況下，就需要根據下述的設計指導進行驅動電壓選擇。

門極驅動電壓設計指導

通過控制門極負壓Vgs(off)，Vth漂移可以被限制在一個可接受的水平內。不論什麼情況下，關斷電壓的上限都是0V，同時，關斷電壓的下限需要根據開通電壓、開關頻率、以及操作時間來選擇一個合適的值，使Rds(on)的增加限制在一定範圍之內。

3.1 設計指導

Vth的動態漂移隨著開關次數的增加而增加，為了好理解，總的開關次數被轉化為10年內不間斷工作（24小時/7天）的歸一化的工作頻率。知道實際工作頻率（kHz），目標壽命（年），以及工作壽命之內系統工作的百分比，歸一化的工作頻率可以通過以下公式計算

歸一化頻率 fsw= 實際工作頻率 fsw [kHz] ×壽命[yrs] ×工作時間佔比[%] ÷ 10 [yrs]

使用估算得到的歸一化頻率，可以從圖1及圖2中找到最小的關斷電壓Vgs(off)下限值。圖2及圖3分別適用於Vgs(on)=15V及Vgs(on)=18V

圖1  Vgs(on)=15V時的最低關斷電壓Vgs(off)

圖2Vgs(on)=18V時的最低關斷電壓Vgs(off)

可以通過以下的例子更好地理解上述計算方法。如一個光伏逆變器的典型工況：

1、實際工作頻率20kHz

2、目標工作壽命20年

3、工作佔比50%

4、歸一化的工作頻率為20 kHz * 20 yrs. * 50% / 10 yrs. = 20 kHz

如果開通電壓是15V, 關斷電壓的範圍應在-3.6到0V之間（見圖1）。如果開通電壓是18V，關斷電壓的範圍應在在-4.4V到0V之間，如圖2。

3.2 安全工作區定義

制定安全工作區的最低關斷電壓的前提是：

1、最低推薦門極電壓-5V

2、在工作壽命末期，相對於初始值，Rds(on)增加小於15%

因此，在安全工作區內使用器件，在工作壽命末期，Rds(on)增長將會小於15%.

Rds(on)的增量還取決於工作電流Id，和結溫Tj (如圖3)。因此，Rds(on)的增量需要考慮最嚴苛的工況。這能夠保證Rds(on)的增加在任何工況下都不會超過15%。工況如下：

1、高電流：兩倍的額定電流

2、中等的結溫：Tj=100℃

圖4  不同溫度下Rds(on)的相對增長

通常來說，15%的Rds(on)增量是最壞的情況。更大的增量只可能出現在高電流和低結溫的工況中，這在實際應用中十分罕見。

3.3 使用18V門極電壓時的注意事項

為了與其它器件兼容，CoolSiC MOSFET可以使用18V的門極電壓。

請注意，高於15V的門極開通電壓對於Rds(on)有兩個相反的影響

1、它可以減小Rds(on)

2、它會加速Vth漂移效應，意味著Rds(on)的增長會更快

對於一個相對比較低的工作頻率（大約小於50kHz），Rds(on)減小效應佔主導地位。

對於比較高的工作頻率，需要採用一個較高的負壓(更接近0V)來防止Vth漂移加速。

需要注意的是，門極電壓18V時的短路電流要遠遠高於15V。因此器件在Vgs(on)=18V時不能達到預定的短路能力。

3.4 減小關斷負壓的注意事項

器件工作在一個較高的門極負壓時（如-2V代替-5V）,對於應用的影響很小。一些應用相關參數需要考慮如下：

1、Eon 和Eoff會稍微改變

2、SiC MOSFET的體二極體正向壓降會降低

3、誤導通風險增加，可能會增加開通損耗。如在0V關斷，較高的的關斷門極電阻，更大的門極-源極迴路電感等情況中更加明顯

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