GFD563A102 3BHE046836R0102 在极端热条件下设计鲁棒的SiC功率器件

　　对于DC/DC功率转换器、电动汽车车载充电器(OBC)、工业电机驱动、太阳能逆变器和牵引逆变器等应用，实现最大功率密度的要求越来越重要。这一要求会提高系统的工作温度，因此必须使用能够在最高175°c的温度下安全工作的器件，基于碳化硅(SiC)等宽带隙材料的器件能够满足这一要求，因此在这类应用中越来越受欢迎。然而，在高温下，即使是SiC MOSFETs也会表现出复杂的行为，这可归因于V等关键参数的细微变化GS(th)(栅极阈值电压)，RDS(开)(导通电阻)，I决策支持系统(Decision Support Systems)(漏源漏电流)，I稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)(栅源漏电流)。如果不仔细考虑这些变化，可能会导致电力电子系统意外故障。制造商的器件数据手册通常不包含这些不同参数之间相互依赖关系的详细信息，尤其是在较高的工作温度下。本文针对这一缺陷，提供了在设计要求工作温度高达175°c的SiC基DC/DC功率转换器时使用这些关键参数的指南

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　　SiC优势

　　与传统的硅MOSFET相比，SiC MOSFETs具有显著的优势和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，使其成为汽车、可再生能源和工业应用的理想选择。

　　工程师通常在应用条件下测试他们的设备，并尝试推动设备的性能边界以获得最大性能，保持所有降额因素;热设计就是这样一个界限。

　　表1。测量RDS(开)漂移与结温变化的关系图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　Nexperia使用行业标准方法全面测试性能参数。图1(a)是一个这样的双脉冲设置，用于测试RDSON、V等器件参数GS(th)，我稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)，而我决策支持系统(Decision Support Systems)，并评估交换性能。

　　图一。 RDS(开)与竞争对手的比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　使用是德科技505功率分析仪产生IV曲线。为了推动转换器在高温下工作，设计时首先要考虑的参数是RDS(开)设备的。下一节将比较Nexperia设备与几个竞争对手和RDS(开)其严格控制制造过程中的参数，以显示卓越的RDS(开)Nexperia装置的稳定性。图1显示了R的变化DS(开)并将其与行业竞争对手进行比较，以了解变化情况。代表Nexperia组件的红线显示R增加了38%DS(开)，而对应于竞争对手C和E的蓝线分别表示超过180%和210%的增长。R的增加DS(开)与较高的传导功率损耗直接相关，如下式所示:

　　P传导损耗=我2× RDS(开) (1)

　　如果RDS(开)加倍，传导损耗也加倍，导致器件内产生更多热量，潜在地使器件更接近其热极限，并增加故障风险。

　　表1显示了RDS(开)几款1200 V、40mωSiC MOSFET的实验测量结果，包括Nexperia和五款竞争产品(Comp A-E)。数据显示，Nexperia的40mωSiC MOSFET表现出最稳定的RDS(开)在25°C至175°C的温度范围内，性能分别提高了1.27倍和1.55倍，低于其前五大竞争对手。

　　从实际角度来看，RDSON高温会极大地影响系统的功耗和效率，如图2高温下的效率测量所示，从而影响其整体可靠性。这个RDS(开)稳定性强调了Nexperia组件在苛刻条件下保持高效率的能力。

　　图二。Nexperia与竞争对手的效率比较。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图3 (a)说明了RDS(开)不同温度下的行为，x轴显示RDS(开)以毫欧为单位，y轴表示从第2个百分位数到第98个百分位数的百分比变化。在25个dut上进行测试(美国联邦政府职员)总表(General Schedule)= 15 V，温度范围为-55°C至175°C。每条线代表一个特定的温度，突出显示RDS(开)可变性。在较高温度下，RDS(开)稳定性提高，125°C至175°C范围内的标准偏差约为1.20mω，确保热应力下的一致性能，并降低功耗风险。这种高温RDS(开)稳定性提高了功效，如图2所示。

　　第二个感兴趣的参数是VGS(th)。对该参数的严格控制转化为不同器件之间的静态和动态电流共享。图3(b)详细展示了VGS(th)宽温度范围(-55°C至175°C)内的性能，x轴代表VGS(th)以毫伏为单位的值，y轴表示以伏特为单位的百分比变化GS(th)从第二到第九十八百分位。图中的每条彩色线对应一个特定的温度结果，清楚地比较了RDS(开)随温度变化。平均值和标准偏差标为Av和S，在175°C测试中发现更稳定的阈值电压，标准偏差最低，S = 56.26 mV。V的最大变化GS(th)发生在-55o标准偏差S = 85.78 mV。

　　图3。(a) RDSON测量和(b) VGS(th)测量温度为-55°C和175°C。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　更详细的解释将在全文中给出。图4(a)和(b)显示了正在进行的I决策支持系统(Decision Support Systems)而我稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)75个dut，并且由于漏电流的温度依赖性，在较低温度(-55°C、25°C和高达125°C)和较高温度(150°C或175°C)之间的测试数据存在显著差异。在温度高达150°C的试验中，I决策支持系统(Decision Support Systems)数值非常低，72个样本中< 200 nA，在175°C时，I决策支持系统(Decision Support Systems)数值介于400 nA和800 nA之间，在器件额定值范围内。同样，我稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)175°C时的测试数据小于10 nA，在器件额定值范围内。

　　图4。(一)我决策支持系统(Decision Support Systems)测量和(b) I稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)测量温度范围为-55°C至175°C。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　分析动态开关行为对于评估器件在175°c时的性能至关重要，为了实现这一点，表1中列出的器件采用双脉冲配置进行测试，其各自的推荐栅极-源极电压电平和外部栅极电阻(RGext)如数据手册中所述。图5显示了Nexperia 40mω器件的典型导通和关断波形。

　　图5。Nexperia设备的DPT开启和关闭转换。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　结论和未来工作

　　在高温下，主要是150°C或175°C，Nexperia的1200V SiC MOSFET表现出RDS(开)稳定性，V变化小GS(th)，我稳态测地卫星(Geodetic Stationary Satellite)，而我决策支持系统(Decision Support Systems)图2所示的DC/DC转换器具有更低的开关损耗和更高的效率。这种一致性尤其有利于要求苛刻的应用，如电动汽车牵引逆变器、航空航天电源系统、电网、工业电机驱动以及其他性能稳定性至关重要的高温应用。

　　针对17、30、60和80mω、1200V SiC MOSFET的持续测试包括静态特性、动态开关和DC/DC转换器测试，以显示175°c时的效率提升。目标是构建全面的静态和动态性能数据集。该分析将指导这些器件的进一步优化，使其适合一致的性能、功效和可靠性至关重要的高温应用。