SiC器件短路事件失效模型分析

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2023-08-09 16:43:43 | 550 次閱讀

由于人們對降低能耗和在高開關頻率應用下運行的興趣日益濃厚，碳化硅功率器件已成為一項有前景的技術。SiC 還可以承受高工作溫度，使其成為工業(yè)環(huán)境的合適選擇。寬帶隙半導體器件的出現(xiàn)使工程師能夠設計電力電子系統(tǒng)以滿足特定的應用要求。1與 SiC 一樣，氮化鎵也屬于寬帶隙類別。設計任何電源系統(tǒng)之前需要考慮的一些主要因素包括成本、效率、功率密度、復雜性和可靠性。2
由于開關速度快和通態(tài)電阻低，SiC MOSFET 通常很容易因短路事件而損壞。3安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院的研究團隊提出了兩種常用功率器件中 SiC 器件在短路事件中的失效模型：SiC MOSFET（Cree 的 N 溝道增強型 SiC MOSFET））和 SiC JFET（通常采用英飛凌的 SiC JFET）。4
開發(fā) SiC 晶體管在短路事件中的故障模型
Wang等人提出的論文中研究表明，在短路事件下，故障電流高于功率器件的額定電流。5這意味著漏電流會導致故障電流，為了驗證這一點，使用了計算機輔助設計（TCAD）模擬技術。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的電流分量描述了兩個 SiC 晶體管中的空穴電流密度。分析執(zhí)行的文件，我們可以得出結論，高密度空穴電流流過晶體管的N漂移區(qū)和P基極區(qū)之間的pn結?！癟CAD仿真還表明，對于SiC MOSFET，高濃度載流子聚集在JFET區(qū)域的頂部；其中一小部分注入到柵極氧化物中，在高溫和高電場強度的應力下形成柵極漏電流，”該團隊解釋道。
故障 - 短路事件前 SiC JFET（上）和 SiC MOSFET（下）中空穴電流密度的分布

圖 1：失效前 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）中的空穴電流密度分布
SiC JFET和 SiC MOSFET失效模型原理圖的設計考慮了漏電流的引入。虛線框中的結構是傳統(tǒng)電路模型的一部分，與溝道電流I CH并聯(lián)的附加電流分量I DS_LK是跨過N漂移區(qū)和P基極區(qū)之間的pn結的漏電流。晶體管。在這項研究中，研究人員明確指出，由于柵極上沒有電壓偏置來開啟器件，因此沒有考慮 SiC JFET 的柵極漏電流。

SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的失效模型

圖 2：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型

通過pn結的漏電流的表達式由熱產生電流I th、雪崩電流I av和擴散電流I diff組成。然而，對于柵極氧化物中的漏電流，已經(jīng)提出了幾種方法，團隊考慮了福勒-諾德海姆（FN）隧道和普爾-弗倫克爾（PF）發(fā)射。因此電流 I FN和 I PF被認為對 SiC MOSFET 柵極氧化物的漏電流有貢獻。

驗證 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型
圖 3：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型驗證
對于SiC MOSFET的電路仿真，采用基于Shichman-Hodges物理模型的SPICE Level 1模型來描述截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)三種模式，而對于SiC JFET，則采用Shockley物理模型：用過的。通常，在短路事件中，溝道中的電荷載流子受到較高電流應力的影響，并且被加熱到相對于正常開關狀態(tài)更高的溫度。因此，溝道載流子的準確遷移率模型對于理解載流子行為對晶體管短路性能的影響非常重要。
失效模型驗證
在短路故障情況下對所開發(fā)的 SiC JFET 和 SiC MOSFET 失效模型進行了驗證，圖中顯示了從模型獲得的失效電流與論文中的結果的比較。6,7結果表明，在 400V 直流電壓下，SiC JFET 的短路故障時間 (tSC) 為 150μs，而在 600V 直流電壓下，SiC MOSFET 的短路故障時間 (tSC) 為 13μs。（編者注：圖 3 顯示了參考文獻 24 和 25，在本文中被視為參考文獻 6 和 7。）

“載流子遷移率取決于溫度和電場強度，對于準確開發(fā) SiC 功率器件的故障模型是必要的，”該團隊指出?！按送猓ㄟ^改變I DS_LK的三個電流分量的組合方式，可以得到一個結論性的結果，即I TH決定了所開發(fā)的模型是否能夠模擬設備的故障。因此，短路期間產生的熱電流在故障效應中起著至關重要的作用?！?/span>

短路事件性能對比示意圖
圖4：短路事件性能比較示意圖
短路故障情況下的驗證如圖所示，V DC為直流母線電壓，R S為電路環(huán)路雜散電阻，R G為柵極電阻，DUT 為器件（SiC JFET）或 SiC MOSFET）。圖中演示了兩種失效模式，紅色曲線為第一種失效模式，藍色曲線為第二種失效模式。注意到的一些參數(shù)是SiC JFET的失效時間比SiC MOSFET長得多，并且SiC JFET的飽和電流比SIC MOSFET低。這些變化的原因是載流子遷移率的溫度相關系數(shù)。

SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式

圖 5：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式
該團隊總結道：“對于立即失效，SiC JFET 表現(xiàn)出比 SiC MOSFET 更好的短路能力，并且 SiC JFET 的失效時間和臨界失效能量都高于 SiC MOSFET?！?“對于延遲失效，在較低的直流母線電壓下，SiC JFET 的失效時間比 SiC MOSFET 長得多；然而，對于更高的直流母線電壓，兩個 SiC 晶體管的故障時間差異似乎很小?！?/span>

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