Надежные и отказоустойчивые SiC MOSFET-транзисторы.
Можно утверждать, что SiC MOSFET-транзисторы являются наиболее важным звеном в цепочке силовых систем. Поэтому они должны демонстрировать надежность в нескольких областях, где они были уязвимы. Как и кремниевые MOSFET-транзисторы, они также сталкиваются с проблемой внешних дефектов, таких как примеси, зарядовые состояния и другие дефекты материала вблизи перехода оксид-полупроводник, которые вызывают различные типы нестабильности устройств и механизмы деградации. Для устранения этих рисков необходимо, чтобы производимые SiC MOSFET-транзисторы демонстрировали стабильное пороговое напряжение, надежный затворный оксид, надежную внутреннюю структурную диодную структуру и лавинную стойкость. Каждый параметр должен быть подтвержден квалификационными испытаниями, поскольку стабильность параметров и срок службы могут сильно различаться в зависимости от поставщика.
Для проверки стабильности порогового напряжения (Vth) SiC MOSFET-транзистора обычно применяется высокотемпературное положительное (p-HTGB) и отрицательное (n-HTGB) смещение затвора для воздействия на статистически значимое количество устройств, и Vth до и после стресс-теста просто сравнивается. Например, p-HTGB и n-HTGB применялись к отдельным сборкам из шестидесяти четырех SiC MOSFET-транзисторов с напряжением 1200 В в течение 1000 часов. Среднее изменение порогового напряжения Vth составило +59,6 милливольт после применения
p-HTGB и -22,8 милливольт после применения n-HTGB. Благодаря такому уровню стабильности разработчики получают предсказуемое пороговое напряжение, на основе которого они могут принимать более строгие и долгосрочные проектные решения.

Высоконадежные затворные оксиды имеют первостепенное значение во всех областях применения, особенно в тех, которые требуют длительного срока службы. Для определения надежности затворного оксида в SiC MOSFET были проведены измерения нагрузки до пробоя (QBD) на трех сборках SiC MOSFET с напряжением 1200 В. Все наблюдаемые отказы были внутренними, что указывает на высокий уровень зрелости технологического процесса. Показатели частоты отказов по времени (FIT) и среднее время между отказами (MTTF) были рассчитаны для большего числа устройств, а именно 192. Для p-HTGB эти значения составили 20 и 5618 лет соответственно; для n-HTGB полученные результаты составили 93 и 1233 года. Эти результаты должны быть обнадеживающими для конечных пользователей, поскольку они согласуются с отчетами о зависящем от времени пробое диэлектрика (TDDB), предоставленными различными поставщиками.
Явление биполярной деградации в SiC pn-переходах было всесторонне изучено. Если в SiC MOSFET происходит структурная деградация диода, то при переключении тока будет наблюдаться увеличение как прямого сопротивления, так и падения напряжения на диоде (что проявляется в нисходящей тенденции в выходных характеристиках третьего квадранта). К счастью, материалы для SiC MOSFET эволюционировали, и плотность дефектов в существующих кристаллах в производственных материалах снизилась. Тем не менее, необходимо оценивать SiC MOSFET от каждого поставщика. Недавно Университет штата Огайо сравнил структурную деградацию диода после 100 часов воздействия при максимальном номинальном токе (VGS = -5 В) в SiC MOSFET с напряжением 1200 В от нескольких поставщиков и обнаружил существенные различия в прямом сопротивлении после фазы воздействия. Только поставщик C не показал деградации (рисунок 1). Дополнительные данные третьего квадранта для тех же устройств подтвердили наличие (или отсутствие, для поставщика C) структурной деградации диода.

Рисунок 1. Данные третьего квадранта показывают, что SiC MOSFET от поставщика C был единственным, у которого не наблюдалось структурной деградации диода. Источник: д-р Ананта Агарвал и д-р Минсок Кан, Университет штата Огайо.

Еще одним важным параметром является лавинная стойкость, которая определяется с помощью нерегулируемого индуктивного переключения (UIS). MOSFET подвергается электрической перегрузке в выключенном состоянии, что приводит к возникновению лавинного пробоя на периферии полупроводникового кристалла, поскольку канал MOS не обогащается.
Это отличается от теста на сопротивление короткому замыканию, при котором MOSFET включен, и ток распределяется более равномерно по активной области устройства. Для лучшего моделирования реальных условий эксплуатации SiC MOSFET подвергаются повторяющимся импульсам UIS (R-UIS); стабильность параметров и целостность оксида сравниваются до и после 100 000 повторяющихся импульсов при двух третях номинального тока (согласно MIL-STD-750). VBR, Vth и VF структурного диода не изменяются под воздействием R-UIS, что указывает на его превосходную лавинную стойкость.

Корпуса питания с низкой индуктивностью:
После того, как обеспечена уверенность в SiC MOSFET, следующим этапом создания полноценной SiC-системы является оптимизированный корпус питания. Эффективный многокристальный модульный корпус должен позволять разработчикам использовать преимущества SiC, а не ограничивать их.
Необходимо учитывать множество требований. Поскольку полупроводниковый кристалл SiC MOSFET относительно мал, многие из них должны быть соединены параллельно для достижения низкого сопротивления в открытом состоянии. Кроме того, параллельно соединенные полупроводниковые кристаллы MOSFET должны переключаться синхронно и равномерно распределять ток, что означает обеспечение симметрии и низкой индуктивности в схемах межсоединений полупроводниковых кристаллов.
Примером этого является корпус SP6LI от Microchip, который добавляет всего 2,9 нГн паразитной индуктивности к контуру питания по сравнению с более чем 20 нГн паразитной индуктивностью в стандартных модульных корпусах. Индуктивность контура питания снижается за счет размещения соединений постоянного тока на шинах, расположенных в виде плоской линии. Соединения с подложкой распределены симметрично и максимально близко к полупроводниковому кристаллу. Для контура «затвор-исток» в каждом из доступных слотов на полупроводниковом кристалле в позициях переключения верхнего/нижнего плеча используются независимые последовательно соединенные резисторы затвора, что оптимизирует временные параметры и распределение тока. Независимые резисторы затвора уменьшают паразитную индуктивность, вносимую в контур «затвор-исток», обеспечивают защиту от катастрофических срабатываний и минимизируют потери при переключении.

Интеллектуальная и гибкая технология управления затвором:
Третий элемент, необходимый для полноценной системы на основе SiC, — это управление. Способность SiC MOSFET быстро переключаться означает, что неоптимизированная система подвержена риску отказа из-за электромагнитных помех и скачков напряжения. Необходима новая технология управления затвором, позволяющая разработчику управлять динамикой переключения и достигать оптимального баланса. Кроме того, драйвер затвора должен обеспечивать быстрое обнаружение и реагирование на скачки сигнала, поскольку SiC MOSFET характеризуются более коротким временем работы, чем большинство кремниевых IGBT.
Запатентованная технология, называемая расширенным переключением, позволила самым передовым решениям для цифрового управления затвором делать паузу на заданном пользователем промежуточном напряжении VGS на желаемое время для разрядки емкости Миллера перед переключением в положение VGS OFF (см. рис. 2). Это контрастирует с традиционными методами, которые переводят VGS непосредственно из положения ON в положение OFF, тем самым не предоставляя разработчику возможности обойти другие, менее предотвратимые проблемы системы, такие как паразитная индуктивность в кабеле, используемом для подключения нагрузки. Фактически, исключительный баланс между защитой от перенапряжения и эффективностью может быть достигнут путем внесения небольших изменений в расширенный профиль переключения (уровни VGS и время выдержки).

Рисунок 2: Цифровой драйвер затвора, использующий усовершенствованный метод переключения, значительно упрощает определение оптимальных проектных точек и их оценку.

На рисунке 3 показаны осциллограммы выключения при использовании двух улучшенных профилей переключения и модуля SiC MOSFET на 1200 В в корпусе D3 (106 мм x 62 мм x 31 мм). Видно, что выбор более низкого промежуточного VGS снижает потери при переключении, когда приоритетом является эффективность, в то время как более высокое VGS ослабляет пики VDS и сглаживает колебания всех трех осциллограмм. Благодаря прилагаемому программному инструменту настройки параметры драйвера затвора можно точно сконфигурировать на всех этапах разработки одним щелчком мыши, в отличие от многочасовой работы с паяльником.

Рисунок 3. Осциллограммы выключения, показывающие эффект улучшенного переключения на модуле SiC MOSFET.
Цифровые драйверы затвора также могут повысить уровень интеллекта. Например, их можно использовать для обеспечения совершенно другого профиля выключения в случае неисправности, тем самым лучше обеспечивая безопасную работу. Добавление усовершенствованных методов переключения для защиты от короткого замыкания усиливает использование низкого сопротивления Rg, а также обеспечивает более плавный и контролируемый переход MOSFET в выключенное состояние с меньшей вероятностью лавинного пробоя. Дополнительные настраиваемые функции включают диагностические измерения в реальном времени, такие как мониторинг напряжения звена постоянного тока и температуры.
По мере развития силовой электроники от кремниевых IGBT к SiC MOSFET, она все больше полагается на поставщиков компонентов, предоставляющих критически важные элементы, необходимые для создания комплексных системных решений. Это выражается в SiC MOSFET с доказанной надежностью, силовым модулем с очень низкой индуктивностью и новым классом интеллектуальных драйверов затвора, разработанных для простой оптимизации. Все это имеет важное значение для оптимизации проектирования SiC от первоначальной оценки до развертывания в полевых условиях.

Автор: Кевин Спир, Microchip Technology