近日，在西安·曲江國際會議中心舉辦的2024中國電力電子與能量轉換大會暨中國電源學會第二十七屆學術年會及展覽會（CPEEC & CPSSC 2024）已圓滿落幕。

本次派恩杰作為中國電源學會白金合作伙伴受邀參展，到派恩杰3-015展位駐足停留咨詢的客戶和伙伴絡繹不絕，同時在西安·曲江國際會議中心，派恩杰的雷洋博士在“工業報告”環節做出了《基于環流系統的碳化硅功率器件可靠性研究》的報告分享。

報告人-雷 洋

博士，應用主任工程師

會上，雷洋博士就“①SiC MOSFET參數漂移問題、②SiC MOSFET參數漂移研究的環流系統、③實驗結論”三大模塊論點進行了實驗性報告分享，并與會上廣大業內同仁共同進行了熱烈的交流與實驗探討。

SiC MOSFET參數漂移問題

據雷洋博士介紹，碳化硅（SiC）MOSFET由于其優越的效率、高溫耐受性以及相比傳統硅器件更快的開關速度，已經成為現代電力電子技術中的關鍵技術。然而，影響其廣泛應用的一個重要挑戰是參數漂移，這會對其長期穩定性和性能產生影響。了解參數漂移及其潛在機制對于提高SiC MOSFET的可靠性至關重要，特別是在對高性能和長壽命有嚴格要求的工業應用中。通過持續研究、合作努力和工藝改進來解決這些挑戰，是充分利用SiC技術在電力電子中優勢的關鍵。

通過實驗研究，團隊也探討了各種減緩策略，例如優化柵極驅動方法、改善界面質量以及開發穩健的測試方法，以確?？煽康男阅?。首先，碳化硅MOSFET最早受到關注的是恒定柵壓下，閾值電壓的漂移現象。這個現象也是普遍存在于碳化硅MOSFET器件中。我們對自己的產品進行了PBTI的測試，結果顯示閾值電壓輕微正漂，導通電阻無明顯變化。

相同的柵壓應力條件下，負漂NBTI要比正漂PBTI更加顯著。主要原因是反應擴散模型：在器件施加負偏置柵極應力時，熱空穴或帶正電的H+注入到SiC/SiO2 界面，導致較弱的Si-H 鍵斷裂形成新的界面陷阱，使得閾值電壓漂移更加嚴重。這使得NBTI對器件的可靠性影響更大，因此我們對NBTI效應進行了更詳細的測試分析。分別進行3組柵極電壓和3組溫度的測試，再使用power對數據進行擬合，得到一個閾值漂移量隨溫度、電壓、時間變化的模型NBTI 閾值電壓漂移量隨柵壓應力的幅值增加而逐漸增大，電壓加速因子α約為1.4，而溫度的影響相對較小。在極端條件下, 175℃, -12V, 1000H，器件閾值負漂小于150mV。

實驗證明PBTI與NBTI是現實存在的，但是碳化硅MOSFET在電源應用的實際工況下，極少出現長時間施加正向柵壓或者負向柵壓的情況，而是以開關頻率交替施加正壓與負壓，因此傳統的基于恒定應力的可靠性測試方法，如HTGB、HTRB、TDDB、DC BTI等，均具有一定的局限性。

動態測試能更好地揭示瞬態效應及其對器件長期性能的影響，而靜態測試由于缺少快速變化的條件，可能無法充分反映這些問題，因此針對AC BTI也做了相關的測試。一般情況下，AC BTI導致的閾值電壓是一種準永久的漂移。閾值漂移量受開關頻率、柵極電壓上限、柵極電壓下限、溫度、柵極電壓過沖、占空比等多種因素影響。需要特別說明是，頻率較高時，柵極負壓和正壓導致的閾值電壓漂移不會互相抵消。一般來說，AC BTI柵極電壓下限越低(絕對值越大)，閾值漂移越明顯。首先，通過測試發現閾值電壓漂移量與開關頻率無關，與開關次數相關?？梢酝ㄟ^提高開關頻率加速閾值電壓漂移。對器件在極端條件下進行超長開關次數測試，派恩杰優化后器件閾值漂移小于100mV，且顯著優于溝槽柵結構SiC MSOFET。同時可以發現經歷長時間柵極開關應力，閾值漂移效應表現出飽和趨勢，表明派恩杰器件可以承受長期極端柵極開關應力，保證長期可靠性。然而AC BTI的相關測試僅是對柵極加負壓，沒有施加漏源電壓，因此仍然無法與實際工況對應，存在一定的局限性。

參數漂移研究的環流系統

針對實驗表明的局限性問題，派恩杰開發了一套環流系統，目標是使碳化硅工作在實際的開關電路中，運行在重載工況下，對碳化硅MOSFET進行參數漂移的研究。首先，我們開發了一個單個測試模塊電路，這個測試模塊電路是一個H橋電路，直流側通過直流電源進行供電，兩個SW node之間連接一個電感。通過測量電感電流，MCU可以進行閉環控制，以實現控制電感電流跟蹤電流reference。這樣就可以模擬碳化硅MOSFET在橋式電路中硬開關的實際工況，并且可以根據運行條件設置參數，如開關頻率，死區，直流母線電壓與負載電流等。這個測試模塊有如下特點，首先是直流電源僅需要提供損耗，因此對直流電源的容量要求較低；其次，電流reference可以設置為直流或交流，且可以達到較高的數值，不受電子負載影響。但是如果設置為直流，根據電流方向，其中兩個硬開關的器件溫度會較高，同步管溫度較低。在這個實驗中，我們設定為交流，保證4顆器件的溫升一致。該測試模塊還有一個特點，就是被測器件是自發熱的，溫度實時監控。通過熱像儀照片我們可以看到，我們將殼溫控制在了155攝氏度左右，這個是因為我們認為在這個殼溫條件下，結溫已經在175攝氏度以上。

針對大規模測試的需求，我們也開發了相應的功能。我們通過硬件上的設計實現了熱插拔的功能，另外，每個測試模塊均有無線通信模塊，可以通過上位機遠程監控，上位機可以向任何一個測試模塊發送指令，也可以接收運行數據。實時監控的數據主要包括器件殼溫和損耗功率，并且上位機可以將這些數據上傳實時數據庫。

目前，我們選取了三個不同的碳化硅MOSFET進行研究，正在進行三個模塊同時進行測試的實驗，如圖是我們的環流系統測試臺架的prototype。我們的測試條件是直流電壓850V，開關頻率40kHz，單個模塊加載至殼溫達到155攝氏度左右。并且每間隔24小時進行一次Vth與RDSon的測試。我們選取的器件是來自不同廠商的1200V 40毫歐的碳化硅MOSFET，殼溫穩定在155攝氏度左右的負載電流分別為36.28A、25.15A和25.14A。

實驗結論

經過嚴謹的反復測試，我們收集了多個數據點。通過數據點我們可以觀測到，所有器件的參數均比較穩定。而我們派恩杰的器件，Vth有所上升，Rdson有所下降；vendor 1的器件Vth和Rdson 均有所下降，Vendor 2的器件Vth有所下降，Rdson基本不變。

測試數據（數據基于初始化歸一化處理）

目前我們可以得到結論，該環流測試系統可以同時進行多個老化實驗，并且通過該實驗可以檢測碳化硅MOSFET的參數漂移情況。短期實驗結果表明，在殼溫155攝氏度的條件下，未觀察到明顯的參數漂移。后續，我們會持續進行該實驗，并且會在不同的負載條件，不同應力下，對器件進行加速老化的對比，以期得到更多可靠性參考數據，并優化器件性能，為客戶提供更穩定可靠的產品。

會上時間有限，我們期待下次與大家有更多交流探討的機會，共同在半導體領域同行更遠、探索更深。

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成立于2018年9月的第三代半導體功率器件設計和方案商，國際標準委員會JC-70會議的主要成員之一，參與制定寬禁帶半導體功率器件國際標準。發布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大規模導入國產新能源整車廠和Tier 1，其余產品廣泛用于大數據中心、超級計算與區塊鏈、5G通信基站、儲能/充電樁、微型光伏、城際高速鐵路和城際軌道交通、家用電器以及特高壓、航空航天、工業特種電源、UPS、電機驅動等領域。