用于汽车电力电子的宽带隙碳化硅(SiC)器件

日期:2018-08-12

SiC技术与器件日趋成熟,成本也随之下降
作者:Dennis Meyer,应用工程师,Microsemi(Microchip Company子公司)
Jason Chiang,战略营销经理,Microsemi(Microchip Company子公司)
 
汽车OEM及其供应商已经成为混合动力电动汽车(HEV)/电动汽车(EV)的高功率、高增长的车辆电气化路径,甚至超越了公共汽车、卡车、火车和更多电动飞机(MEA)的电气化。凭借超过硅IGBT和MOSFET器件所能提供的效率和可靠性,宽禁带碳化硅(SiC)解决方案处于交通领域内巨大增长的尖端。各种市场报告预测至2020年复合年增长率将增长40%,其中碳化硅功率分立式和模块解决方案越来越多地被用于主流汽车应用,如DC-DC转换器、外部/车载充电器和动力传动系牵引控制/电机驱动。
 

 
SiC技术和器件越来越成熟,成本也随着6英寸晶圆的生产而下降。工业中晶圆的质量和供应以及设备工程师对SiC器件的理解已经发展到SiC产品比硅器件更有效和高度竞争(在系统级)的程度。SiC器件允许使用更高的开关频率,从而导致更紧凑的设计。SiC MOSFET本质上比IGBT更有效,因此允许使用较小的磁芯和散热片,从而有利于降低系统尺寸/重量/成本。
SiC优于硅器件的一些好处包括:
·         碳化硅MOSFET和二极管都很容易并联。这是一个优势,在高电流模块中,如牵引驱动器中使用。图1显示了一个标准化的RDSon与1200伏MOSFET的温度对比。温度依赖性小于硅器件的温度依赖性。
·         碳化硅肖特基二极管能够在几十安培的多千伏范围内工作。高带隙意味着它们不具有像它们的低电压硅器件那样的高泄漏。
·         SiC MOSFET的体二极管具有非常快的恢复速度,大约比硅器件快一个数量级。
·         由于快速载流子恢复,SiC MOSFET容忍极高的转换速率。实际上,不可能通过超过其转换速率来损坏SiC MOSFET。


图1: Mocrosemi的下一代1.2 kV,40欧姆 SiC MOSFET(MSC040SMA120B)的RDSon与温度对比。
 
针对汽车应用的更高可靠性的SiC解决方案确实面临一些挑战。碳化硅基本上是一种不同于硅材料的晶体结构。同等性能的SiC器件具有更小的芯片,允许更紧凑的设计,尽管这引入了热流密度的挑战。SiC器件具有与硅器件相同的失效模式和一些独特的失效模式。运输部门需要高可靠性,而对这些高可靠性的需求一直是工程师们缓慢接受SiC器件的原因。现在情况正在发生变化。
 
汽车标准
汽车标准AEC-Q101是围绕硅器件开发的,并为汽车环境提供了一种高性能标准,通过保证精确的数据表规格的测试水平,消除了传统商业数据表中的一些歧义。在长期可靠性测试中,AEC-Q101规范相对较轻,并且对SiC器件的长期可靠性的需求可能引入新的认证挑战。此外,AEC-Q101所需的一些测试可能对SiC更具挑战性,其包括:
·         高温栅偏压(HTGB)在100%额定栅极电压下可持续1000小时。这是一个用碳化硅的重要测试。稳定的SiC MOSFET栅极的制备是SiC面临的最大挑战之一。
·         高温反向偏压(HTRB)在100%倍率电压下持续1000小时。这也是一个具有挑战性的SiC测试,因为栅极稳定性。目前,这种测试没有栅极偏压,但它是可能的,因为它将改变负栅偏置通常使用的SiC MOSFET。
·         温度循环(TC)测试在器件上产生表面应力,这可能是一些栅极结构的挑战。
 
超越AEC-Q101
最终需要超出当前的AEC-Q101测试。Microsemi考虑如下。
 
UIS
非箝位感应开关(UIS)是一种将电压过电压击穿的测试。大多数现代硅器件可以容忍焦耳能量的击穿能量。如果要保证UIS等级,单个器件中的缺陷就有必要测试所有器件。这通常没有做,这使得UIS评级很好,但不依赖于器件到器件。在这方面,SiC是相同的。适当设计的SiC器件可以容忍UIS到片芯加热到其上限温度的程度。
SiC不同之处在于UIS测试可能演变为器件结构长期退化测试的一部分。降解的度量可以通过首先筛选具有UIS的器件的群体,使它们承受应力,然后再使它们符合UIS。SiC器件具有4H-SiC结构,这是复杂的,并且可能与此观察有关。如果没有集成AEC-Q101,它仍然可以成为高可靠性器件测试的一部分。
 
RUIS
重复的非钳位感应开关(RUIS)测试被用来测量器件随着时间推移的稳定性,要放置在重复击穿条件下。MOSFET泄漏和阈值的变化或二极管泄漏的变化在过去是常见的。利用适当的基板和良好的设计实践,这不再是一个问题。
Microsemi使用RUI作为测试序列的一部分,以保证栅极中的设计裕度。我们的下一代碳化硅MOSFET的测试表明,在10K RUIS脉冲之后,没有栅极或泄漏的劣化。图2示出了100mJ UIS事件中的触发、漏电流和漏电流。MSC040SM120的漏极电位在击穿时为1.77 kV。
 

2: MSC040SMA120B MOSFET在100 mJ通过10K UIS命中。
 
高应力循环
Microsemi器件测试包括功率循环的人工老化。MOSFET可通过功率循环器件在较宽的温度范围内人工老化。通过适当设计的系统,可以快速评估器件的长期可靠性。这是对封装器件的金属化、芯片键合和键合线附着质量的测试。碳化硅MOSFET被证明几乎与硅器件一样可靠。它们具有比硅器件更为明显的特性。在器件的寿命期间,RDSon有轻微的退化。这对所有制造商来说都是常见的,通常在5到15%之间。如果考虑到这一点,设计余量应该与RDSon一起考虑。此外,该测试表明,器件表面结构可能影响寿命。垂直结构MOSFET通常也不做。
 
Rth
为了测量器件预期的寿命,有必要精确地测量封装热阻。SiC管芯相对于分立器件中的背金属通常很小。这导致在片芯和背金属热界面下的高热流密度比基于整个背金属区域的计算呈现更高的热阻。这可能是实际器件封装热阻和制造商之间的指定电阻之间的裕度高变异性的原因。复杂的是,分立式器件设计通常需要绝缘的热界面。大多数是非常薄的,在背面金属和散热器之间呈现相对高的电容。考虑到分立式器件,可以考虑陶瓷绝缘体。模块很好地与集成陶瓷绝缘。
 
SiC电源
虽然电力电子工业必须应对影响硅和SiC器件提前期的外延衬底可用性的短期挑战,但随着附加衬底供应商的上线,SiC产品超过了该供应峰,而高容量和成熟的碳化硅制造已经到位,以支持汽车采用SiC解决方案的发展。
 
总结
SiC解决方案优于硅IGBT和基于超结MOSFET解决方案系统级高功率的效率和可靠性方面是显而易见的。Microsemi建议只有自动合格的超越,这应该与汽车工程师(1)很好地产生共鸣。有关SiC解决方案的更多信息,请访问https://www.microsemi.com/product-directory/discretes/3613-silicon-carbide-sic。
www.microsemi.com
 

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