【導讀】過去幾年
，實際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關注重點。英飛淩率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS(th)的漂移現象
，並提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。

引言

過去幾年，實際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關注重點。

英飛淩率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS(th)的漂移現象，並提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。

經過不斷研究和持續優化，現在
，全新推出的CoolSiC™ MOSFET M1H在VGS(th)穩定性方麵有了顯著改善
，幾乎所有情況下的漂移效應影響，都可以忽略不計。

現象描述

VGS(th)漂移現象通常是通過高溫柵極偏置應力測試（DC-HTGS）來進行描述的，該測試遵循JEDEC等標準定義的測試準則進行。

近期的研究結果表明
，與相應的靜態柵極應力測試（DC-HTGS）相比，包括V_(GS(off))<0V在內的正負電源驅動，交流AC柵極應力引起的閾值電壓漂移更高，這一發現為SiC MOSFET器件的可靠性帶來了新視角[1,3]。

圖1顯示了交流（AC）和直流（DC）應力條件下的不同影響。VGS(th) (ΔVth)的數據變化是使用數據表[1]中的最大條件得出的。

圖中可以看到兩個不同的斜率，第一個對應的是典型的類似直流DC的漂移行為（“直流擬合”）；第二個更大的斜率對應的是正負電源的交流AC應力效應（“交流擬合”），也稱柵極開關不穩定性（GSI）。

圖1：連續柵極開關應力期間的漂移：

VGS,(on)=20V;VGS(off)=−10V;

Tvj,max=150°C and f=500kHz.[1]

我們的結論是：開關周次數超過10⁸的應力條件下
，交流漂移是造成應力的主要原因
；開關周次數較少時，直流漂移是造成應力的主要原因。

數據顯示
，開關應力會導致VGS(th)隨時間緩慢增加。由於閾值電壓VGS(th)增加，可以觀察到溝道電阻（Rch）的增加。這種現象由等式（1）描述
，式中

，L是溝道長度，W是溝道寬度，μn是電子遷移率

，Cox是柵極氧化層電容，VGS(on)是導通狀態柵極電壓，VGS(th)是器件的閾值電壓[1]。

總RDS(on)是由各電阻的總和決定的，即溝道電阻（Rch）、結型場效應晶體管電阻（RJFET）、漂移區的外延層電阻（Repi）和高摻雜SiC襯底的電阻（RSub）。等式（2）描述了總RDS(on)的整個組成。

因此，VGS(th)的增加會導致溝道電阻略有提高
，從而造成RDS(on)提高
，以及久而久之產生的導通損耗。

柵極開關應力

為了確保和預測我們的CoolSiC™ MOSFET在典型開關工作期間電氣參數的長期穩定性，我們開發並采用了一種新的應力測試：柵極開關應力測試（GSS）。該測試可以讓您直接確定電氣參數漂移

，這些漂移通常在正負驅動電壓模式下運行（正V(GS,on)：導通；負VGS(OFF)：關斷）。該測試可以讓開發人員量化上述新的失效機製，因此
，是鑒定SiC MOSFET的必要條件。

GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現象
，包括在器件正常工作期間發生的漂移現象。除了缺失的負載電流（它本身不會改變我們所觀察到的漂移行為）[3]，我們通過保持與典型應用條件相似的柵極開關特性（例如
，電壓斜率），盡可能地模擬應用（參見圖2）[1]。為了涵蓋在實際SiC MOSFET應用中非常常見的柵極信號過衝和下衝的潛在影響，我們通過在數據表所允許的最大柵極電壓和最大靜態結溫（Tvj,op）下施加應力
，來實現最壞情況。

圖2：頻率f=500kHz時，典型的GSS柵源應力信號。[1]

在zai最zui壞huai情qing況kuang下xia進jin行xing測ce試shi，可ke以yi讓rang客ke戶hu確que信xin自zi己ji能neng夠gou在zai整zheng個ge規gui格ge範fan圍wei內nei使shi用yong該gai器qi件jian，而er不bu會hui超chao過guo漂piao移yi極ji限xian。因yin此ci
，這zhe種zhong方fang法fa保bao證zheng了le器qi件jian的de出chu色se可ke靠kao性xing，同tong時shi也ye便bian於yu安an全quan裕yu度du的de計ji算suan。

除了VGS(th)，柵極漏電流IGSS等其他參數也得到了測量，並在被測硬件上保持一致[1]。

最壞情況的壽命終止漂移評估及其對應用的影響

在zai開kai發fa逆ni變bian器qi的de過guo程cheng中zhong，一yi大da任ren務wu就jiu是shi預yu測ce設she備bei的de使shi用yong壽shou命ming。因yin此ci，必bi須xu提ti供gong可ke靠kao的de模mo型xing和he信xin息xi。在zai各ge種zhong工gong作zuo條tiao件jian下xia，進jin行xing了le大da量liang的de測ce試shi後hou
，我wo們men就jiu能neng開kai發fa出chu一yi個ge預yu測ce性xing的de半ban經jing驗yan性xing模mo型xing
，該gai模mo型xing描miao述shu了le閾yu值zhi電dian壓ya隨sui任ren務wu曲qu線xian參can數shu的de變bian化hua，例li如ru：應力時間（tS）
、柵極偏置低電平（VGS(off)）
、柵極偏置高電平（VGS(on)），開關頻率（fsw）和工作溫度（T）（ΔVGS(th) (tS,VGS(off),VGS(on),fsw,T)）[3]。

基於該模型，我們建立了一種評估閾值電壓漂移的方法，使用最壞情況壽命終止曲線（EoAP）來計算相對R(DS(on))漂移。在應用中
，以任意頻率運行一定時間，我們可以計算出至EoAP之前的開關周期總數（NCycle）。然後，使用NCycle讀出相對RDS(on)漂移。

周期數取決於開關頻率和工作時間。典型的硬開關工業應用（例如，太陽能組串逆變器）使用16-50 kHz的開關頻率。使用諧振拓撲的逆變器的開關速度通常超過100kHz。這些應用的目標壽命通常在10-20年，而實際工作時間通常在50%-100%。

以下示例提供了一個樣品評估：

●    目標壽命[年]：20

●    實際工作時間[%]：50%=>10年

●    實際工作時間[s]：315,360,000s(10年)

●    開關頻率[kHz]：48

●    周期持續時間[s]：1/開關頻率=0.0000208

●    壽命終止時的周次數=~1.52E+13

導通電壓為18V時，預計25°C時的RDS(on)的相對變化小於6%，175°C時小於3%，見圖3（圖3中的綠點）。

圖3：VGS(on)=18V
、Tvj,op=25°C、125°C和175°C [2]時的相對RDS(on)變化

圖4示例基於最近推出的EasyPACK™ FS55MR12W1M1H_B11（DC-AC逆變器中的三相逆變橋配置）
，說明了RDS(on)預測變化的影響[4]。這個例子是在損耗分布中
，傳導損耗（Pcon）占比很大的應用。Tvj,op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結果證明，哪怕是使用了20年後，RDS(on)的輕微變化導致的Tvj,op增加也可以忽略不計。

圖4.最壞情況EoL評估：Vdc：800V，Irms：18A，fout：50Hz
，fsw：50kHz，cos(φ)：1，Th=80°C。

圖中文字：

Power loss：功率損耗

Initial point：初始點

Worst-case EoAP：最壞情況EoAP

這種方法意味著，最大漂移應當是在所描述的最壞情況下出現的。借助全新的M1H芯(xin)片(pian)，客(ke)戶(hu)將(jiang)能(neng)從(cong)數(shu)據(ju)表(biao)的(de)規(gui)格(ge)範(fan)圍(wei)中(zhong)，選(xuan)擇(ze)最(zui)適(shi)用(yong)於(yu)其(qi)應(ying)用(yong)的(de)參(can)數(shu)。柵(zha)極(ji)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)過(guo)衝(chong)和(he)下(xia)衝(chong)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)漂(piao)移(yi)
，無(wu)需(xu)從(cong)應(ying)用(yong)的(de)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv)。因(yin)此(ci)，可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)力(li)。

請注意：在控製良好的柵極偏置電平下運行的應用

，遠低於數據表的最大限製
，例如，+18V/-3V，在相同的開關周期數下

，RDS(on)的變化幅度甚至更小。

結論

我wo們men通tong過guo在zai各ge種zhong開kai關guan條tiao件jian下xia進jin行xing長chang期qi的de測ce試shi，研yan究jiu了le在zai實shi際ji應ying用yong條tiao件jian下xia的de閾yu值zhi電dian壓ya特te性xing。我wo們men開kai發fa並bing采cai用yong了le一yi種zhong應ying力li測ce試shi程cheng序xu，來lai確que定ding在zai現xian實shi的de應ying用yong開kai關guan條tiao件jian下xia
，最zui壞huai情qing況kuangEoAP參數漂移，為我們的客戶提供了可靠的預測模型。

除了其他關鍵的改進外，最近推出的1200V CoolSiC™ MOSFET
，即M1H，還顯示出了出色的穩定性，並降低了漂移現象的影響。

參考文獻

[1] 英飛淩應用說明 2018-09

[2] P. Salmen, M. W. Feil, K. Waschneck, H.Reisinger, G. Rescher, T. Aichinger: 一種新的測試程序

，可實際評估 SiC MOSFET 在開關運行中的壽命終止電氣參數穩定性
；2021 IEEE 國際可靠性物理研討會（IRPS）（2021 年）

[3] 英飛淩：白皮書 08-2020：英飛淩如何控製和確保 SiC 基功率半導體的可靠性，第 11–21 頁;

[4] 數據表 FS55MR12W1M1H_B11

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