Les MOSFET SiC doivent être robustes et résilients.
On peut affirmer que les MOSFET SiC constituent le maillon le plus critique d'une chaîne de distribution électrique. Par conséquent, ils doivent faire preuve de robustesse dans plusieurs domaines où ils ont montré des faiblesses. À l'instar des MOSFET en silicium, ils sont également sujets aux défauts extrinsèques tels que les impuretés, les états de charge et autres défauts de matériau à proximité de la jonction oxyde-semiconducteur, qui engendrent divers types d'instabilités et de dégradations. Pour éliminer ces risques, les MOSFET SiC de production doivent présenter une tension de seuil stable, un oxyde de grille fiable, une diode structurelle intrinsèque robuste et une résistance aux avalanches. Chaque caractéristique doit être validée par des tests de qualification, car la stabilité des paramètres et la durée de vie peuvent varier considérablement selon le fournisseur.
Afin de vérifier la stabilité de la tension de seuil (Vth) d'un MOSFET SiC, une polarisation de grille positive (p-HTGB) et négative (n-HTGB) à haute température est généralement appliquée à un nombre statistiquement significatif de dispositifs pour les contraindre. La Vth avant et après le test de contrainte est ensuite comparée. Par exemple, les traitements p-HTGB et n-HTGB ont été appliqués à des ensembles distincts de soixante-quatre MOSFET SiC de 1 200 V pendant 1 000 heures. La variation moyenne observée de la tension de seuil (Vth) était de +59,6 millivolts après
traitement p-HTGB et de -22,8 millivolts après traitement n-HTGB. Grâce à ce niveau de stabilité, les concepteurs disposent d'une tension de seuil prévisible leur permettant de prendre des décisions de conception plus rigoureuses et à plus long terme.
La fiabilité des oxydes de grille est primordiale dans toutes les applications, notamment celles exigeant une longue durée de vie. Afin de déterminer la fiabilité de l'oxyde de grille des MOSFET SiC, des mesures de tension de claquage (QBD) ont été réalisées sur trois assemblages de MOSFET SiC de 1200 V. Toutes les défaillances observées étaient intrinsèques, témoignant d'une grande maturité du procédé. Les taux de défaillance en fonction du temps (FIT) et le temps moyen entre les défaillances (MTTF) ont été calculés pour un plus grand nombre de dispositifs, soit 192. Pour les MOSFET p-HTGB, ces valeurs étaient respectivement de 20 et 5 618 ans ; pour les
MOSFET n-HTGB, les résultats obtenus étaient de 93 et 1 233 ans. Ces résultats sont encourageants pour les utilisateurs finaux, car ils concordent avec les rapports de claquage diélectrique dépendant du temps (TDDB) fournis par différents fournisseurs. Le phénomène de dégradation bipolaire dans les jonctions pn SiC a fait l'objet de nombreuses études. Si une dégradation structurelle de la diode se produit dans un MOSFET SiC, on observe une augmentation de la résistance directe et de la chute de tension aux bornes de la diode lors de la commutation du courant (ce qui se traduit par une diminution de la caractéristique de sortie dans le troisième quadrant). Heureusement, les matériaux des MOSFET SiC ont évolué et la densité de défauts dans les cristaux préexistants a diminué dans les matériaux de production. Il reste néanmoins nécessaire d'évaluer les MOSFET SiC de chaque fournisseur. L'Université d'État de l'Ohio a récemment comparé la dégradation structurelle de la diode après 100 heures de contrainte au courant nominal maximal (VGS = -5 V) dans des MOSFET SiC 1200 V provenant de plusieurs fournisseurs et a observé des différences substantielles de résistance directe après la phase de contrainte. Seul le fournisseur C n'a présenté aucune dégradation (Figure 1). Des données supplémentaires dans le troisième quadrant sur les mêmes dispositifs ont corroboré la présence (ou l'absence, pour le fournisseur C) de dégradation structurelle de la diode.
Figure 1. Les données du troisième quadrant montrent que seul le MOSFET SiC du fournisseur C n'a pas subi de dégradation structurelle de la diode. Source : Dr Anant Agarwal et Dr Minseok Kang, Université d'État de l'Ohio.
Un autre paramètre important est la résistance aux avalanches, mesurée par commutation inductive non écrêtée (UIS). Le MOSFET est soumis à une surcharge électrique à l'état bloqué, ce qui provoque une avalanche à la périphérie de la puce semi-conductrice, le canal MOS n'étant pas enrichi.
Ceci diffère d'un test de résistance en court-circuit, où le MOSFET est passant et le courant est réparti plus uniformément sur la zone active du composant. Afin de mieux simuler les conditions de fonctionnement réelles, les MOSFET SiC sont soumis à des impulsions UIS répétitives (R-UIS) ; la stabilité des paramètres et l'intégrité de l'oxyde sont comparées avant et après 100 000 impulsions répétitives aux deux tiers du courant nominal (conformément à la norme MIL-STD-750). Les tensions VBR, Vth et VF de la diode structurelle ne sont pas affectées par les R-UIS, ce qui indique son excellente résistance aux avalanches.
Boîtiers de puissance à faible inductance :
Une fois la fiabilité des MOSFET SiC établie, l’étape suivante pour un système SiC complet consiste en un boîtier de puissance optimisé. Un boîtier multi-puces efficace doit permettre aux concepteurs d’exploiter pleinement le potentiel du SiC, et non de le limiter.
De nombreuses exigences doivent être prises en compte. La puce semi-conductrice du MOSFET SiC étant relativement petite, plusieurs d’entre elles doivent être connectées en parallèle pour obtenir une faible résistance à l’état passant. De plus, les puces semi-conductrices MOSFET en parallèle doivent commuter de manière synchrone et répartir le courant uniformément, ce qui implique de garantir la symétrie et une faible inductance dans les schémas d’interconnexion.
À titre d’exemple, le boîtier SP6LI de Microchip n’ajoute que 2,9 nH d’inductance parasite à la boucle de puissance, contre plus de 20 nH pour les boîtiers de modules standard. L’inductance de la boucle de puissance est réduite en établissant les connexions du bus DC sur des barres omnibus disposées en ligne droite. Les connexions du substrat sont réparties symétriquement et aussi près que possible de la puce semi-conductrice. Pour la boucle grille-source, des résistances de grille en série indépendantes sont utilisées pour chaque emplacement disponible sur la puce semi-conductrice, aux positions de commutation haut/bas, afin d'optimiser la synchronisation et le partage du courant. Ces résistances indépendantes réduisent l'inductance parasite introduite dans la boucle grille-source, protègent contre les déclenchements intempestifs et minimisent les pertes de commutation.
Technologie de commande de grille intelligente et flexible :
Un troisième élément essentiel à un système SiC complet est la commande. La rapidité de commutation des MOSFET SiC expose un système non optimisé à des risques de défaillance dus aux interférences électromagnétiques (EMI) et aux pics de tension transitoires. Une nouvelle technologie de commande de grille est donc nécessaire pour permettre au concepteur de maîtriser la dynamique de commutation et d'obtenir un équilibre optimal. De plus, la commande de grille doit assurer une détection et une réponse rapides aux pics de signal, car les MOSFET SiC présentent une durée de vie plus courte que la plupart des IGBT en silicium.
Une technique brevetée, appelée commutation augmentée, permet aux solutions de commande de grille numériques les plus avancées de marquer une pause à une tension VGS intermédiaire définie par l'utilisateur pendant une durée déterminée afin de décharger la capacité de Miller avant de passer à l'état OFF (voir figure 2). Cette approche contraste avec les méthodes traditionnelles qui font passer directement VGS de l'état ON à l'état OFF, ne permettant ainsi pas au concepteur de contourner d'autres problèmes système moins évitables, tels que l'inductance parasite du câble de connexion de la charge. En fait, un équilibre extraordinaire entre protection contre les surtensions et efficacité peut être obtenu en introduisant de petites modifications au profil de commutation augmenté (niveaux VGS et temps de maintien).
Figure 2 : Un pilote de grille numérique utilisant la méthode de commutation augmentée facilite grandement l'identification des points de conception optimaux et leur évaluation.
La figure 3 présente les courbes de coupure obtenues avec deux profils de commutation améliorés et un module MOSFET SiC 1200 V en boîtier D3 (106 mm × 62 mm × 31 mm). On constate qu'une tension VGS intermédiaire plus faible réduit les pertes de commutation lorsque le rendement est prioritaire, tandis qu'une tension VGS plus élevée atténue les pics de VDS et lisse les oscillations des trois courbes. 
Grâce au logiciel de configuration fourni, les paramètres du circuit de commande de grille peuvent être configurés avec précision à toutes les étapes du développement, d'un simple clic, contrairement aux longues heures passées à souder.
Figure 3. Courbes de coupure illustrant l'effet de la commutation améliorée sur un module MOSFET SiC.
Les circuits de commande de grille numériques permettent également d'accroître l'intelligence du système. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour fournir un profil de coupure totalement différent en cas de défaut, garantissant ainsi un fonctionnement plus sûr. L'ajout de méthodes de commutation améliorées à la protection contre les courts-circuits renforce l'utilisation d'une faible résistance de grille (Rg), tout en assurant une transition plus douce et contrôlée vers l'état bloqué du MOSFET, avec une probabilité moindre de claquage par avalanche. Parmi les autres fonctionnalités configurables figurent les mesures de diagnostic en temps réel, telles que la surveillance de la tension du bus DC et de la température.
Avec l'évolution de l'électronique de puissance des IGBT en silicium aux MOSFET en SiC, la dépendance aux fournisseurs de composants s'accroît, ces derniers fournissant les éléments critiques nécessaires à la création de solutions système complètes. Il en résulte un MOSFET en SiC à la robustesse éprouvée, un boîtier de puissance à très faible inductance et une nouvelle génération de circuits de commande de grille intelligents conçus pour une optimisation aisée. Tous ces éléments sont essentiels pour simplifier la conception des MOSFET en SiC, de l'évaluation initiale au déploiement sur le terrain.
Auteur : Kevin Speer, Technologie des microprocesseurs
