为什么要进行浪涌测试?
第一类是极短脉宽的浪涌。这种浪涌通常是微秒级别。由于浪涌脉宽太短,浪涌电流产生的热量来不及被散热器吸收,这种情况可以通过简单的计算获得芯片内部温度上升的情况。 第二类是无限长浪涌电流,指脉宽很大的电流。在研究范围内可以等效于直流进行研究。此时热斑效应是器件失效的主要原因,这种情况也比较容易分析。 最后一种情况,即脉宽在毫秒级别的浪涌。在浪涌发生的这段时间里,热量有足够的时间传导到散热器上面,只能通过解微分方程大致计算器件的内部情况。这种情况是最复杂的,当温度高于1000K时,所有关于热量的计算都只是推测,必须知道器件内部热传导的细节才能做出精准的预测。 2012年,Thomas Basler第一次测试了IGBT在栅压变化情况下的浪涌性能。分别测试了浪涌电流形状为梯形,以及浪涌电流为正弦波形情况下的浪涌性能,并对浪涌发生时IGBT内部导通情况提出了3种可能:1.浪涌电流到达峰值,IGBT导通。2.IGBT在浪涌发生前已经导通。3.IGBT接收到浪涌电流即导通。 也有研究者对SiC肖特基二极管的浪涌性能进行了研究。在这些研究中发现,器件通过足够多次数的浪涌电流后,即使通过的这些浪涌电流峰值小于器件能承受的最大浪涌电流,器件也会发生退化。 直到2016年,才有学者开始研究SiC MOSFET的浪涌性能,但研究只着眼于SiC MOSFET浪涌性能和其他器件浪涌性能的比较。 2016年,Sadik专门研究了SiC MOSFET的浪涌性能。他分别测试了几种SiC MOSFET在各种温度,脉冲宽度和栅压情况下的浪涌能力。通过采集数据并观察,得出了SiC MOSFET浪涌性能与温度的关系,研究了脉冲宽度对SiC MOSFET浪涌性能的影响,以及MOSFET导通与否对器件浪涌能力的的影响。他还测试了SiC MOSFET模块的浪涌性能,与单芯片SiC MOSFET的浪涌性能进行了比较。论文中提出了两个对浪涌失效机理的猜测,第一个是MOSFET内部寄生NPN的闩锁效应。第二个是高温使得MOSFET的源极金属融化。 同年,Carastro测试比较了SiC MOSFET,Si PIN二极管和SiC肖特基二极管在常温下的浪涌性能。收集了这三种器件的浪涌数据,对三者进行了比较,也对失效机理提出了猜测,认为高温导致的金属熔化是器件失效的主要原因。论文中还对这三种器件进行了一维热仿真,通过仿真结果来证实实际测试中得到的结果和猜测。 2018年开始,研究SiC MOSFET的浪涌性能的论文开始逐渐变多。 2018年,Shan Yin等人利用电容放电实验测试比较了SiC MOSFET和Si IGBT的浪涌能力。不过在文章中主要讨论了栅极驱动电路的设计,以及各种参数对电容充放电结果的影响,对于浪涌能力仅仅提出了一个结论,并没有进行深入的研究。 从2018年下半年到2019年,除了Shan Yin等人外,还有一些关于SiC MOSFET浪涌性能的论文发表,Xi Jiang,Patrick Hofstetter等人也纷纷将SiC MOSFET的浪涌性能和其他器件进行了比较。 为了分析SiC MOSFET的浪涌性能,需要对浪涌失效发生时的电流、电压和能量有一个总体把握。其中电流为外加控制源,由实验人员控制,可以直接得到。当 VgsVth时,沟道导通,但是当电流足够大时,体二极管占主导作用,此时也可视为体二极管导通。浪涌失效电流一般为大电流,因此电压可根据(2-1)得到 V0为体二极管的开启电压,由材料决定,对SiC来说,开启电压为 2.7V,R为 N-漂移区电阻,I(t)为浪涌电流,在本文中可为(2-2) thw为正弦脉冲的宽度,在本文中固定为 10ms,Imax为浪涌电流峰值。根据(2-1)和(2-2)可以得到浪涌过程中产生的能量E。 浙江大学李焕在硕士论文中对SiC MOSFET的浪涌可靠性进行了一些研究,并对器件结构改进提出了一些意见: (1)由于目前大多数商用SiC MOSFET的耐压为 1200V,因此只选择了耐压为1200V的器件进行测试比较。在未来的工作中可以选择更多不同耐压等级的SiC MOSFET 进行测试研究。 浙江大学李焕的硕士论文首先选择了Rohm、Cree、ST和 Littlefuse四家公司的五款1200V SiC MOSFET器件进行对比研究,测试了这些器件在沟道导通和不导通情况下的浪涌特性,得到了不同情况下SiC MOSFET能承受的最大浪涌电流。 浪涌失效前后器件性能的变化主要表现为MOSFET栅源短路和体二极管性能发生改变。不同器件所能承受的最大浪涌电流约为额定电流的四到五倍。 有些器件在失效后体二极管还有反向阻断能力,而有些器件则表现为体二极管反向阻断能力消失。通过对每次浪涌实验之后器件的特性测试,发现没有累积性损伤。 之后对失效后的器件进行了解剖观察,仔细分析了坏点的损坏情况,得到了SiC MOSFET失效的主要原因。导致SiC MOSFET失效的主要原因是大浪涌电流导致的高温。高温导致源极金属Al发生融化,并与相邻的介质材料发生了反应。有些融化的Al甚至渗透到了器件内部,最终导致器件失效。 论文选用Silvaco公司的Atlas TCAD对浪涌电流通过SiC MOSFET的过程进行了仿真,研究了浪涌测试时器件内部电流分布、结温、载流子浓度的变化。仿真显示在流过大电流时,不论器件沟道导通与否,体二极管是主要的导电通道,验证了沟道导通与否对器件能承受的最大浪涌电流影响较小的实验结论。器件中的结温在通过大浪涌电流的时候高达900K,证实了高温导致铝熔化是器件失效的主要原因。 最后,基于分析得到的失效机理,从改善SiC MOSFET的自热效应和提高SiC MOSFET的耐高温性能两方面对器件的结构设计提出了一些改进建议,以提升SiC MOSFET的浪涌性能。并用器件仿真验证了这些建议的有效性。 本文资料获取自:李焕,基于SiC MOSFET的浪涌可靠性研究【D】,浙江大学,2020 *免责声明:文章内容系转载,如有侵权,请联系删除。 最后,推荐给大家,西安易恩电气是一家可以做SiC MOSFET 的浪涌可靠性测试的厂家,可提供测试服务及测试设备,期待与大家一起交流,学习,成长。 |
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