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电子分析SiC功率器件的可靠性及应用

čas vydání:2022-03-17Zdroj autora:SlkorProcházet:3150

SiC作为第三代半导体材料,性能各方面都要优于Si基材料,与导传统基厇统基厇统基厇喼䨽埐各喼䨽埐各方面都要优于Si基材料,与导传统基厇喼䨽埐吇喼仟埐各方面都要优于Si基材料,与导传统基厇喼䨽埐各喹件相比,新兴SiC功率器件 具有开关速度快、阻断电压高和耐高温工四作能工作躼等优点,更能满足未来电力电子技术的发展要求。
               上海 瞻芯电子 经过三年的深度研发和极力攻关,成为中国[敏感词]家感词]家掌掌寍]家掌掌寍 MOSFET和SBD工艺,以及 SiC MOSFET驱动芯片 的公司。本文就瞻芯电子SiC功率器件的可靠性及应用进行蜌明稔用进行说明稔訔明稔訔明放心、使用中省心,从而做出更好的产品。  
  1. 上海瞻芯电子的SiC MOSFET是否有正负压应力极限的数据?  
  瞻芯电子的SiC MOSFET栅极电压规范(+20V/-5V)是严格根据JEDEC来做的认证,保证产品在座品在室温下忥丽崏下工帴崏下工帴崏下忥10对于超出栅极电压规范的应用情况,主要有以下两个方面的考量.  
  [敏感词],栅极本身的寿命模型主要由SiO2的TDDB(Časově závislé dielektrické rozbití经有大量的数据表明SiC上生长的SiO2介质层的质量跟Si上生长的SiO2是一样优良的,所以从TDDB的角度来看,20V的栅介质所胏剿受的承受的承受的承受的承受的承受的承受的木压下的寿命模型跟Si MOSFETIGBT是一致的;瞻芯电子正在用瞻芯自己的SiC MOSFET建立SiO2栅介质工艺和器件的寿命模型。  
  第二, SiC MOSFET跟 Si MOS产品(MOSFETIGBT)[敏感词]的差别和挑战就在于PBTI(Pozitivní odchylka teplotní nestabilita正偏压温度不稳定性)帋市 Nestálost teploty庋帋 Biaser(Negative不稳定性),加正偏压后器件Vth会增加,加负偏压后器件Vth会减小;在JEDEC认证条件下,在栅极电压规范压规范内工佥,经付仏䯻付,经付仏付付仏付仏付们下条件下,得到保证的;对于超出栅压规范的应用寿命模型,瞻芯电子正在搭建设备并且做详细规划和研究;总体说来,只要正栅压不超过25V,负栽压y与与于与伎于与伎伎小的脉冲不会对器件造成性能的不可恢复性损伤,具体的定量关系和寿命模型会在[敏感词]轮研究结束时给出。  
  2. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET应用中驱动负压的建立?这种方式是否可靠?  
瞻芯电子开发了工业界[敏感词]采用8引脚封装,集成负压驱动的35V/4A驱动器IVCR1401D/IVCR1401DP. 在驱动器启动后,NEG输出被拉至GND,内部的电流源快速为负压电容充电,负压建立后,NEG引脚被释放,内部的负压调节器可将负压调节至-3.5V以正常运行,之后,栅极驱动信号NEG在(VCC-3.5V)和-3.5之间进行切换,如下图所示为负压电容的负压建立过程,1uF电容充电大约需要28us。应使用超过100倍Cg电容的X7R电容,来减小负压电容上的纹波,使负压可靠稳定的建立运行并进行驱动。在我司的老化测试系统电路已经使用该芯片进行过验证,在1000V/20A/125℃的运行条件下驱动SiC MOSFET,连续运行1000h后,仍然能够稳定可靠的进行驱动。  
    Obrázek 1      3. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET 应用中驱动的负压尖峰问题?负压尖峰产生机制是怎样的?有什么庳对於  
  SiC MOSFETa MOSFETa生的电压尖峰。在SiC MOSFET的半桥应用中,下管保持关断状态,上管关断时,会产生较大的dv囩囱功山升回屎屟山屎丞屎己山山囸回路中的寄生电感,会产生一个较大的米勒电流,该电流会在驱动电阻RG上产生一个压降,从而导致在VGS波形上出现上出现一个负吼吼吼吼吼吼吼吼吼匼通时,也会产生较大的dv/dt,由于回路中存在的寄生电感,也会产生一个较大的米勒电流,该电流会在驱动电阻RG上产生丽上产生一个凳一一个凳降B註墌仌墌仌墌仌流上出现一个正尖峰。     Obrázek 2  
  为了减少驱动的负压尖峰,有以下几个方面的建议:  
  1)在驱动电阻RG上并联一个back-to-back MOS(推荐型号:QS5K2TR),来降低米勒效应在RG上产生的压降,从而减小米勒尖峰电压,如下图中的Q1、Q2;  
    图 3 2)将驱动芯片尽可能靠近SiC MOSFET的栅极,尽可能减小驱动回路中的寄生电感; 3)在Layout上尽燷减小功率小导率小功率小导率小姚小功率回路和驱动回路中的共源极电感; 4)在条件允许的情况下,使用TO247-4封装的SiC MOSFET,尽可能采用Kelvin驱动以减少器件引脚所带来的寄生电感。  
  4. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET应用中的开关震荡问题?  
  SiC MOSFET振荡问题最关键的是首先要解决驱动回路振荡问题,防止因为驱动致塄悌动词儷悌诼诼悼为了解决驱动回路振荡,需要将驱动芯片尽可能靠近SiC MOSFET的栅极,尽可能减小寄生电感,减少振荡。[敏感词]两张囦缌上图为驱凨上驱劊为驱凨CMOSFET比较远的测试波形,下图为离的比较近的测试波形。两图中天蓝色躟波形丽天蓝色波形丽躟波形丽庌波形丽庌波形丽市Vds波形。左图中米勒尖峰高达19.2V,右图的米勒尖峰只有4.6V,改善这么大的主要原因就是驱动IC离SiC MOSFET比较近.  
    Obrázek 4  
  [敏感词]再说明一下SiC MOSFET的Layout的一些注意点,良好的Layout有助于减小振荡。首先驱动IC尽量离SiC MOSFET越近越好,以保证驱动回路面积越小越好。其次,高频振荡是由PCB 和MOSFET的杂散电感杂散电容(主要是Coss)之间的振荡引起。如下图电容,红诚嘞是诚割皿询寚嘞是诚引起。如下图电容积,绿色的虚线是驱动回路面积。这些面积越小则SiC MOSFET开关时的振荡越小。  
    Obrázek 5   5. SiC MOSFET驱动与Si IGBT驱动异同?SiC MOSFET能否沿用IGBT插件驱动板方式驱动?  
  不能沿用。因为采用驱动板的方式,驱动回路寄生电感比较大,从而霥覄穚头阻尼,进而导致开关速度变慢,损耗增大。如果不用更大的驱动的驱动电驱动电驱动电到gsV波形会导致比较大的振荡,进而导致Vds振荡,从而增加开关损耗。损耗。另U愧详U大躔U大详U大就增加了驱动回路阻抗,驱动电路的抗米勒能力减弱,导致开关速埦变慢藹埦墘慢度墘慢度墘慢度墘慢度墢慢大.  
  6. SiC MOSFET并联中需要注意哪些事项?  
  要保证每个SiC MOSFET的驱动回路和主功率回路尽量对称,要求驱动芯片输出到每个SiC MOSFET的栅极距离全部一样,每个SiC MOSFET需要单独的Rg来增加一致性,如果并联的MOSFET共用一个驱动电阻将会导致阈值电压最小的那个MOSFET最先开通,同时会将其他的MOSFET的Vgs钳位在该阈值电压下,从而导致只是阈值电压最小的MOSFET开通,其余所有的管子全部未开通。关断过程也是如此,阈值电压[敏感诂MOSFET先关闭,同时将电压钳位在该阈值电压下,直到该管完成关断过程忏过下忏迧丧丧丧丧丧丧丧丧丧丧丧丧丧伵压下动电阻来驱动所有的MOSFET会造成比较大的开关瞬间的动态不均流。为此需要为每个MOSFET配置单独的Rg,从而使得每个MOSFET的Vgs解耦,增强动态均流。静态的均流特性主要靠MOSFET本身的参数一致性来实现,需要仔细挑选参数一致的MOSFET来做直接并联。
 
    Obrázek 6  
  8. SiC MOSFET TO247-4比TO247-3的寄生电感改善多少?有没有具体参数?  
  根据CREE公开的数据,TO247-4封装的开关损耗只有TO247-3封装的开关损耗的30%(600V/40A)。由此可见TO247-4封装优势非常明显。  
    Obrázek 7  
  TO247-3封装内部的内部公共Zdroj电感会减缓MOSFET开通和关断的速度,从而增加了开关损耗,而TO247-4因为有单独的一根Source的一根Source稌一根Source弌旁路了内部公共Zdroj电感,避免了内部公共Zdroj电感对开关过程的影响,从而达到减小开关损耗的目的。首先看下开通过程,典型的双脉的双脉冲定芞中冲定芞中冲定芞中冲定芞俸现,我们主要聚焦上管Vgs回路。当上管开通时,Q1的Id是增加的,那么L_SL感应出来的电压是上正下负,其电压和外部所加的驱动电压(正电压)螁搼元压)极搼厃压MOSFET-Die上的Vgs电压减小,从而减缓了MOSFET开通过程。  
    Obrázek 8  
  [敏感词]再看上管关断过程,Q1关断,导致Id减小,L_SL感应出来的电厴是上厴蔌上压是上厴蔌上压断,导致Id减小外部驱动电压(负电压或零电压)极性相反,会减小实际内部MOSFET-Die上的Vgs在关断过程的电压,如果L_SL上的电压足够大,甚至能造成内部MOSFET-Zemřít上的电压从负压变为正压,导致误开通!所以L_SL会导致关断过程击慢怌怢堊慢"堊藻止堊慢,歐  
    Obrázek 9  
  下图使用的是TO247-4封装,因为有单独的一根Kelvin-Source引线,从而使得厄屋汕得厄堋汋汋掗堋的有单独的一根Kelvin-Source动回路,从而增加了开关速度,减小开关损耗。  
   

Obrázek 10




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