過去幾年，實際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS（th））一直是SiC的關注重點。

英飛凌率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS（th）的漂移現象，并提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。

經過不斷研究和持續優化，現在，全新推出的CoolSiC? MOSFET M1H在VGS（th）穩定性方面有了顯著改善，幾乎所有情況下的漂移效應影響，都可以忽略不計。

現象描述

VGS（th）漂移現象通常是通過高溫柵極偏置應力測試（DC-HTGS）來進行描述的，該測試遵循JEDEC等標準定義的測試準則進行。

近期的研究結果表明，與相應的靜態柵極應力測試（DC-HTGS）相比，包括V_（GS（off））《0V在內的正負電源驅動，交流AC柵極應力引起的閾值電壓漂移更高，這一發現為SiC MOSFET器件的可靠性帶來了新視角

圖1顯示了交流（AC）和直流（DC）應力條件下的不同影響。VGS（th） （ΔVth）的數據變化是使用數據表［1］中的最大條件得出的。

圖中可以看到兩個不同的斜率，第一個對應的是典型的類似直流DC的漂移行為（“直流擬合”）；第二個更大的斜率對應的是正負電源的交流AC應力效應（“交流擬合”），也稱柵極開關不穩定性（GSI）。

圖1：連續柵極開關應力期間的漂移：

VGS，（on）=20V;VGS（off）=?10V;

Tvj，max=150°C and f=500kHz.［1］

我們的結論是：開關周次數超過10?的應力條件下，交流漂移是造成應力的主要原因；開關周次數較少時，直流漂移是造成應力的主要原因。

數據顯示，開關應力會導致VGS（th）隨時間緩慢增加。由于閾值電壓VGS（th）增加，可以觀察到溝道電阻（Rch）的增加。這種現象由等式（1）描述，式中，L是溝道長度，W是溝道寬度，μn是電子遷移率，Cox是柵極氧化層電容，VGS（on）是導通狀態柵極電壓，VGS（th）是器件的閾值電壓［1］。

總RDS（on）是由各電阻的總和決定的，即溝道電阻（Rch）、結型場效應晶體管電阻（RJFET）、漂移區的外延層電阻（Repi）和高摻雜SiC襯底的電阻（RSub）。等式（2）描述了總RDS（on）的整個組成。

因此，VGS（th）的增加會導致溝道電阻略有提高，從而造成RDS（on）提高，以及久而久之產生的導通損耗。

柵極開關應力

為了確保和預測我們的CoolSiC? MOSFET在典型開關工作期間電氣參數的長期穩定性，我們開發并采用了一種新的應力測試：柵極開關應力測試（GSS）。該測試可以讓您直接確定電氣參數漂移，這些漂移通常在正負驅動電壓模式下運行（正V（GS，on）：導通；負VGS（OFF）：關斷）。該測試可以讓開發人員量化上述新的失效機制，因此，是鑒定SiC MOSFET的必要條件。

GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現象，包括在器件正常工作期間發生的漂移現象。除了缺失的負載電流（它本身不會改變我們所觀察到的漂移行為）［3］，我們通過保持與典型應用條件相似的柵極開關特性（例如，電壓斜率），盡可能地模擬應用（參見圖2）［1］。為了涵蓋在實際SiC MOSFET應用中非常常見的柵極信號過沖和下沖的潛在影響，我們通過在數據表所允許的最大柵極電壓和最大靜態結溫（Tvj，op）下施加應力，來實現最壞情況。

圖2：頻率f=500kHz時，

典型的GSS柵源應力信號。［1］

在最壞情況下進行測試，可以讓客戶確信自己能夠在整個規格范圍內使用該器件，而不會超過漂移極限。因此，這種方法保證了器件的出色可靠性，同時也便于安全裕度的計算。

除了VGS（th），柵極漏電流IGSS等其他參數也得到了測量，并在被測硬件上保持一致［1］。

最壞情況的壽命終止漂移評估

及其對應用的影響

在開發逆變器的過程中，一大任務就是預測設備的使用壽命。因此，必須提供可靠的模型和信息。在各種工作條件下，進行了大量的測試后，我們就能開發出一個預測性的半經驗性模型，該模型描述了閾值電壓隨任務曲線參數的變化，例如：應力時間（tS）、柵極偏置低電平（VGS（off））、柵極偏置高電平（VGS（on）），開關頻率（fsw）和工作溫度（T）（ΔVGS（th） （tS，VGS（off），VGS（on），fsw，T））［3］。

基于該模型，我們建立了一種評估閾值電壓漂移的方法，使用最壞情況壽命終止曲線（EoAP）來計算相對R（DS（on））漂移。在應用中，以任意頻率運行一定時間，我們可以計算出至EoAP之前的開關周期總數（NCycle）。然后，使用NCycle讀出相對RDS（on）漂移。

周期數取決于開關頻率和工作時間。典型的硬開關工業應用（例如，太陽能組串逆變器）使用16-50 kHz的開關頻率。使用諧振拓撲的逆變器的開關速度通常超過100kHz。這些應用的目標壽命通常在10-20年，而實際工作時間通常在50%-100%。

以下示例提供了一個樣品評估：

目標壽命［年］：20

實際工作時間［%］：50%=》10年

實際工作時間［s］：315，360，000s（10年）

開關頻率［kHz］：48

周期持續時間［s］：1/開關頻率=0.0000208

壽命終止時的周次數=~1.52E+13

導通電壓為18V時，預計25°C時的RDS（on）的相對變化小于6%，175°C時小于3%，見圖3（圖3中的綠點）。

圖3：VGS（on）=18V、Tvj，op=25°C、125°C和175°C ［2］時的相對RDS（on）變化

圖4示例基于最近推出的EasyPACK? FS55MR12W1M1H_B11（DC-AC逆變器中的三相逆變橋配置），說明了RDS（on）預測變化的影響［4］。這個例子是在損耗分布中，傳導損耗（Pcon）占比很大的應用。Tvj，op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結果證明，哪怕是使用了20年后，RDS（on）的輕微變化導致的Tvj，op增加也可以忽略不計。

圖4.最壞情況EoL評估：Vdc：800V，Irms：18A，fout：50Hz，fsw：50kHz，cos（φ）：1，Th=80°C。

圖中文字：

Power loss：功率損耗

Initial point：初始點

Worst-case EoAP：最壞情況EoAP

這種方法意味著，最大漂移應當是在所描述的最壞情況下出現的。借助全新的M1H芯片，客戶將能從數據表的規格范圍中，選擇最適用于其應用的參數。柵極信號中的寄生過沖和下沖不會影響漂移，無需從應用的角度考慮。因此，可以節省時間和精力。

請注意：在控制良好的柵極偏置電平下運行的應用，遠低于數據表的最大限制，例如，+18V/-3V，在相同的開關周期數下，RDS（on）的變化幅度甚至更小。

結論

我們通過在各種開關條件下進行長期的測試，研究了在實際應用條件下的閾值電壓特性。我們開發并采用了一種應力測試程序，來確定在現實的應用開關條件下，最壞情況EoAP參數漂移，為我們的客戶提供了可靠的預測模型。

除了其他關鍵的改進外，最近推出的1200V CoolSiC? MOSFET，即M1H，還顯示出了出色的穩定性，并降低了漂移現象的影響。