碳化硅MOSFET的短路實(shí)驗性能與有限元分析法熱模型的開(kāi)發(fā)
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表1總結了測試器件中兩個(gè)樣品的實(shí)驗結果，從測量結果看，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，除連續柵極電流吸收異常外，MOSFET的其它功能未受任何影響。相對于標準操作條件，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(kāi)關(guān)能量在受損最嚴重的樣品上顯著(zhù)提高，兩個(gè)樣品仍然能夠維持功能正常，如圖3(d)所示。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201902/398105.htm表1短路實(shí)驗最終結果和樣品特性
因此，為了解釋失效機理，我們使用Silvaco工具[4]在短路實(shí)驗靜態(tài)條件下進(jìn)行結構模擬，如圖5(a)所示，并且提取了碳化硅結構內部電壓/電流密度分布數據，如圖5(b)所示。 在A(yíng)tlas(用于器件模擬的Silvaco工具)中，FE器件的柵極偏壓最高20V，漏極觸點(diǎn)偏壓最高400V。使用實(shí)驗數據集微調傳導模型，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)驗數據和模擬輸出之間實(shí)現良好匹配的關(guān)鍵參數。 傳導模型可提供在短路實(shí)驗期間芯片上耗散功率的精確分布，所以傳導模型微調對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)行結構模擬，根據模擬輸出的功率分布數據，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)驗數據。 該模型專(zhuān)門(mén)用于研究類(lèi)似于持續幾微秒的短路類(lèi)事件，理解并解釋在短功率脈沖期間碳化硅MOSFET結構內部發(fā)生的情況，同時(shí)將碳化硅的熱特性(熱導率和熱容量)視為溫度的函數。利用這個(gè)新模型研究?jì)炔拷Y構的熱行為，并評估結和周?chē)鷮拥臏囟?。圖6(a)和圖6(b)所示是溫度達到峰值時(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)結構內部熱量是如何傳遞的(圖6(b))。熱分布可發(fā)現短路試驗主要涉及器件的哪些部分，解釋實(shí)驗觀(guān)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：溫度峰值是結構頂層的溫度，與當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。
結論
本文創(chuàng )建的有限元熱模型考慮到了MOSFET的物理結構和試驗數據。該建模方法能夠估算在短功率脈沖特別是短路實(shí)驗條件下，結和周?chē)鷮又械臏囟确植记闆r，解釋了實(shí)驗觀(guān)察到的失效現象。
鑒于沒(méi)有設備能夠準確地檢測到如此短暫的脈沖在被測器件上產(chǎn)生的溫度上升，并且典型熱模型是為量產(chǎn)封裝或系統器件開(kāi)發(fā)的，無(wú)法有效地用于分析此類(lèi)事件，因此，試驗結果對建模策略實(shí)施具有非常重要的意義。
致謝
本文部分實(shí)驗是在ECSEL JU項目WInSiC4AP(高級電源寬帶間隙創(chuàng )新SiC)的框架內進(jìn)行的，授權協(xié)議編號：737483
參考文獻
[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
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