如何通过调整门极驱动负压,来限制SiC MOSFET阈值漂移的方法

李倩 发表于 2018-11-08 16:48:26 收藏 已收藏
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如何通过调整门极驱动负压,来限制SiC MOSFET阈值漂移的方法

李倩 发表于 2018-11-08 16:48:26

近年来,宽禁带半导体SiC器件得到了广泛重视与发展。SiC MOSFET与Si MOSFET在特定的工作条件下会表现出不同的特性,其中重要的一条是SiC MOSFET在长期的门极电应力下会产生阈值漂移现象。本文阐述了如何通过调整门极驱动负压,来限制SiC MOSFET阈值漂移的方法。

Vth漂移现象

由于宽禁带半导体SiC的固有特征,以及不同于Si材料的半导体氧化层界面特性,会引起阈值电压变化以及漂移现象。为了理解这些差异,解释这些差异与材料本身特性的关系,评估其对应用、系统的影响,需要更多的研究及探索。

就静态门极偏置而言,针对Si器件阈值特性的标准测试流程并不适用于SiC MOSFET。因此,一种新的测试方法——测试-偏置-测试——被用来评估SiC MOSFET的BTI(Bias-Temperature Instabilities,偏压温度不稳定性)特性。它可以区分可恢复的Vth漂移以及永久性的阈值漂移。这种测量技术已经用来对最新发布的SiC MOSFET的阈值稳定性进行了深度研究,结果表明英飞凌CoolSiC MOSFET Vth稳定性在众多的器件中表现优异,具有极低的BTI以及非常窄的阈值漂移窗口。

英飞凌对CoolSiC MOSFET在不同的开关条件下进行了长期的研究测试。数据显示,长期的开关应力会引起Vth的缓慢增加。这一现象,在不同品牌、不同技术的SiC MOSFET上均可以观测到。相同偏置条件下不同器件的Vth漂移值是相似的。Vth上升会引起Rds(on)的轻微上升,长期影响是通态损耗会增加。

需要注意的是,器件的基本功能不会被影响,主要有:

1、耐压能力不会受影响

2、器件的可靠性等级,如抗宇宙射线能力,抵抗湿气的能力等不会受影响。

3、Vth漂移会对总的开关损耗有轻微影响

影响Vth漂移的参数主要包括:

1、开关次数,包括开关频率与操作时间

2、驱动电压,主要是Vgs(off)

以下参数对开关操作引起的Vth漂移没有影响

1、结温

2、漏源电压

3、漏极电流

4、dv/dt, di/dt

Vth漂移对应用的影响

长期来看,对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加Rds(on)。通常来说,增加Rds(on)会增加导通损耗,进而增加结温。在计算功率循环时,需要把这个增加的结温也考虑进去。

结温的增加是否需要格外重视取决于实际应用及工况。在很多案例中,即便是20年工作寿命到期后,结温的增加仍然可以忽略不计。然而在另一些应用中结温的增加可能就会很重要。因此,在这种情况下,就需要根据下述的设计指导进行驱动电压选择。

门极驱动电压设计指导

通过控制门极负压Vgs(off),Vth漂移可以被限制在一个可接受的水平内。不论什么情况下,关断电压的上限都是0V,同时,关断电压的下限需要根据开通电压、开关频率、以及操作时间来选择一个合适的值,使Rds(on)的增加限制在一定范围之内。

3.1 设计指导

Vth的动态漂移随着开关次数的增加而增加,为了好理解,总的开关次数被转化为10年内不间断工作(24小时/7天)的归一化的工作频率。知道实际工作频率(kHz),目标寿命(年),以及工作寿命之内系统工作的百分比,归一化的工作频率可以通过以下公式计算

归一化频率 fsw= 实际工作频率 fsw [kHz] ×寿命[yrs] ×工作时间占比[%] ÷ 10 [yrs]

使用估算得到的归一化频率,可以从图1及图2中找到最小的关断电压Vgs(off)下限值。图2及图3分别适用于Vgs(on)=15V及Vgs(on)=18V

图1  Vgs(on)=15V时的最低关断电压Vgs(off)

图2Vgs(on)=18V时的最低关断电压Vgs(off)

可以通过以下的例子更好地理解上述计算方法。如一个光伏逆变器的典型工况:

1、实际工作频率20kHz

2、目标工作寿命20年

3、工作占比50%

4、归一化的工作频率为20 kHz * 20 yrs. * 50% / 10 yrs. = 20 kHz

如果开通电压是15V, 关断电压的范围应在-3.6到0V之间(见图1)。如果开通电压是18V,关断电压的范围应在在-4.4V到0V之间,如图2。

3.2 安全工作区定义

制定安全工作区的最低关断电压的前提是:

1、最低推荐门极电压-5V

2、在工作寿命末期,相对于初始值,Rds(on)增加小于15%

因此,在安全工作区内使用器件,在工作寿命末期,Rds(on)增长将会小于15%.

Rds(on)的增量还取决于工作电流Id,和结温Tj (如图3)。因此,Rds(on)的增量需要考虑最严苛的工况。这能够保证Rds(on)的增加在任何工况下都不会超过15%。工况如下:

1、高电流:两倍的额定电流

2、中等的结温:Tj=100℃

图4  不同温度下Rds(on)的相对增长

通常来说,15%的Rds(on)增量是最坏的情况。更大的增量只可能出现在高电流和低结温的工况中,这在实际应用中十分罕见。

3.3 使用18V门极电压时的注意事项

为了与其它器件兼容,CoolSiC MOSFET可以使用18V的门极电压。

请注意,高于15V的门极开通电压对于Rds(on)有两个相反的影响

1、它可以减小Rds(on)

2、它会加速Vth漂移效应,意味着Rds(on)的增长会更快

对于一个相对比较低的工作频率(大约小于50kHz),Rds(on)减小效应占主导地位。

对于比较高的工作频率,需要采用一个较高的负压(更接近0V)来防止Vth漂移加速。

需要注意的是,门极电压18V时的短路电流要远远高于15V。因此器件在Vgs(on)=18V时不能达到预定的短路能力。

3.4 减小关断负压的注意事项

器件工作在一个较高的门极负压时(如-2V代替-5V),对于应用的影响很小。一些应用相关参数需要考虑如下:

1、Eon 和Eoff会稍微改变

2、SiC MOSFET的体二极管正向压降会降低

3、误导通风险增加,可能会增加开通损耗。如在0V关断,较高的的关断门极电阻,更大的门极-源极回路电感等情况中更加明显

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