碳化硅MOSFET的短路實(shí)驗(yàn)性能與有限元分析法熱模型的開發(fā)

　　表1總結(jié)了測(cè)試器件中兩個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從測(cè)量結(jié)果看，兩個(gè)樣品的損耗程度不同。 樣品1的本征柵源電阻為3.3kΩ，除連續(xù)柵極電流吸收異常外，MOSFET的其它功能未受任何影響。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)操作條件，樣品2本征柵源電阻低很多，而柵極吸收電流卻升高。即使開關(guān)能量在受損最嚴(yán)重的樣品上顯著提高，兩個(gè)樣品仍然能夠維持功能正常，如圖3(d)所示。

表1短路實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果和樣品特性

　　因此，為了解釋失效機(jī)理，我們使用Silvaco工具[4]在短路實(shí)驗(yàn)靜態(tài)條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，如圖5(a)所示，并且提取了碳化硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓/電流密度分布數(shù)據(jù)，如圖5(b)所示。 在Atlas(用于器件模擬的Silvaco工具)中，F(xiàn)E器件的柵極偏壓最高20V，漏極觸點(diǎn)偏壓最高400V。使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集微調(diào)傳導(dǎo)模型，以便在飽和條件下也能取得適合的閾值電壓或I-V特性。柵極氧化層與碳化硅界面處的狀態(tài)能量密度分布，各向異性遷移率值和電子飽和速度，是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬輸出之間實(shí)現(xiàn)良好匹配的關(guān)鍵參數(shù)。 傳導(dǎo)模型可提供在短路實(shí)驗(yàn)期間芯片上耗散功率的精確分布，所以傳導(dǎo)模型微調(diào)對(duì)建模策略具有非常重要的意義。

圖5 Silvaco工具：(a)模擬的垂直剖面圖 (b)功率分布圖

　　本文提出的建模方法就是，使用Silvaco工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，根據(jù)模擬輸出的功率分布數(shù)據(jù)，為有限元方法(Comsol Multiphysics[5])物理模型提供隨時(shí)間變化的功率分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 該模型專門用于研究類似于持續(xù)幾微秒的短路類事件，理解并解釋在短功率脈沖期間碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的情況，同時(shí)將碳化硅的熱特性(熱導(dǎo)率和熱容量)視為溫度的函數(shù)。利用這個(gè)新模型研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的熱行為，并評(píng)估結(jié)和周圍層的溫度。圖6(a)和圖6(b)所示是溫度達(dá)到峰值時(shí)的熱圖和熱通量，指示了最高溫度所在的位置(圖6(a))以及在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量是如何傳遞的(圖6(b))。熱分布可發(fā)現(xiàn)短路試驗(yàn)主要涉及器件的哪些部分，解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的失效模式。圖6(c)顯示了不同層的溫度分布與時(shí)間的關(guān)系：溫度峰值是結(jié)構(gòu)頂層的溫度，與當(dāng)前已知的臨界值一致^[6]。

圖6(a)3D熱圖，(b)熱通量和(c)短路期間的溫度分布。

　　結(jié)論

　　本文創(chuàng)建的有限元熱模型考慮到了MOSFET的物理結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該建模方法能夠估算在短功率脈沖特別是短路實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)和周圍層中的溫度分布情況，解釋了實(shí)驗(yàn)觀察到的失效現(xiàn)象。

　　鑒于沒有設(shè)備能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到如此短暫的脈沖在被測(cè)器件上產(chǎn)生的溫度上升，并且典型熱模型是為量產(chǎn)封裝或系統(tǒng)器件開發(fā)的，無法有效地用于分析此類事件，因此，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)建模策略實(shí)施具有非常重要的意義。

　　致謝

　　本文部分實(shí)驗(yàn)是在ECSEL JU項(xiàng)目WInSiC4AP(高級(jí)電源寬帶間隙創(chuàng)新SiC)的框架內(nèi)進(jìn)行的，授權(quán)協(xié)議編號(hào)：737483

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Y. Shi, at al., Switching Characterization and Short-Circuit Protection of 1200 V SiC MOSFET T-Type Module in PV Inverter Application, IEEE Trans. on Ind. Elec., vol. 64, no. 11, pp.: 9135-9143, Nov. 2017.

　　[2] G. Romano, at al., A Comprehensive Study of Short-Circuit Ruggedness of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE J. Em. and Sel. Top. In Power Elec., vol. 4, no. 3, pp.978-986.

　　[3] L.Ceccarelli at al., Compact Electro-Thermal Modeling of a SiC MOSFET Power Module under Short-Circuit Conditions, IECON 2017, pp: 4879-4884.

　　[4] ATLAS User’s Manual, SILVACO, Inc.

　　[5] Comsol Multiphysics? User’s Guide.

　　[6] Z.Wang at al., Temperature-Dependent Short-Circuit Capability of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE Trans. On Power Electr., Vol. 31, no. 2, Feb. 2016