基于Matlab/Simulink的SiC MOSFET建模与分析

针对现阶段SiC MOSFET建模研究无法应用在电机控制系统领域的现状,提出了一种基于Matlab/Simulink的SiC MOSFET仿真电路模型。对功率器件的动态特性和静态特性进行综合分析,采用非分段受控电流源模型模拟功率器件静态特性,具体分析SiC MOSFET的开关过程,同时采用曲线拟合的方法对影响器件开关过程的非线性电容进行表征,在Matlab/Simulink中建立SiC MOSFET等效电路模型。为了验证模型准确性,将仿真结果与数据手册中的数据进行比较分析,仿真结果表明所建模型可以较为准确地描述SiC MOSFET动、静态特性,开通时间和关断时间误差均小于7%,对比结果验证了模型的准确性和有效性。建立的模型为SiC MOSFET在电机控制策略仿真及应用领域提供了参考依据。     

碳化硅MOSFET电学参数的电容-电阻法评估

阈值电压、栅内阻、栅电容是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的重要电学参数,但受限于器件寄生电阻、栅介质界面态等因素,其提取过程较为复杂且容易衍生不准确性。文章通过器件建模和实验测试,揭示了MOSFET的栅电容非线性特征,构建了电容-电阻串联电路测试方法,研究了SiC MOSFET的栅内阻和阈值电压特性。分别获得栅极阻抗和栅源电压、栅极电容和栅源电压的变化规律,得到栅压为-10V时的栅内阻与目标值误差小于0.5Ω,以及串联电容相对栅源电压变化最大时的电压近似为器件阈值电压。相关结果与固定电流法作比较,并分别在SiC平面栅和沟槽栅MOSFET中得到验证。因此,该种电容-电阻法为SiC MOSFET器件所面临的阈值电压漂移、栅极开关振荡现象提供较为便捷的评估和预测手段。     

1200 V SiC MOSFET重复非钳位感性开关测试的退化机制研究

为了研究1200 V SiC MOSFET在重复非钳位感性开关(Unclamped-Inductive-Switching, UIS)应力下的电学参数退化机制，基于自行搭建的UIS实验平台以及Sentaurus仿真设计工具，首先深入分析了重复UIS测试后器件静态参数与动态参数的退化；接着基于FN隧穿公式对栅极漏电流数据进行拟合，得到随着UIS测试次数增加SiC/SiO₂界面的势垒高度从2.52 eV逐渐降低到2.06 eV;最后解释了SiC MOSFET在重复UIS测试后的电流输运过程。结果表明，在重复雪崩应力的作用下，大量的正电荷注入至结型场效应管区域上方的栅极氧化层中，影响了该区域的电场分布以及耗尽层厚度，导致被测器件(Device Under Test, DUT)的导通电阻、漏源泄漏电流、电容特性等电学参数呈现出不同程度的退化，并且氧化物中的正电荷的积累也使电子隧穿通过栅介质的电流得到了抬升。     

6H-SiC埋沟MOSFET的C-V解析模型研究

研究了6H-SiC埋沟MOSFET器件的电容-电压特性,建立了解析模型.具体分析了埋沟MOSFET各种工作模式下的电容与栅电压之间的关系,考虑了SiO2/SiC界面态及pn结对电容-电压特性的影响.对模型进行了仿真分析验证,结果表明:在假设界面态密度分布均匀条件下,由于对界面态做了简化处理,因而在耗尽模式及夹断模式下的C-V特性计算结果与实验结果有所差异.     

基于平均迁移率模型的SiC埋沟MOSFET I-V特性

提出了一种SiC隐埋沟道MOSFET平均迁移率模型,并在此基础上对器件,I-V特性进行了研究.采用一个随栅压变化的平均电容公式,并用一个简单的解析表达式来描述沟道平均迁移率随栅压的变化关系.计算漏电流时考虑了埋沟器件的三种工作模式,推出了各种工作模式下的漏电流表达式,并用实验值对模型进行了验证.     

高温可靠性试验对SiC MOSFET特性参数的影响

SiC MOSFET可以提升电力电子器件的功率密度,在特高压直流输电、电动汽车等领域有较好的应用前景,但其特性参数的分散性会影响器件的长期稳定运行.对SiC MOSFET进行了168 h的高温栅偏(HTGB)和高温反偏(HTRB)试验.结果 表明,试验前后器件的阈值电压和跨导变化较大,而导通电阻和极间电容变化较小.通过拟合分析得到试验前后器件导通电阻、阈值电压和跨导的变化率与各参数数值之间的拟合曲线.最后基于测试结果,提出了一种针对1 200 V/20 A SiC MOSFET的筛选方法,以降低器件在高温可靠性试验前后的参数变化率,从而提升器件在长期高温环境中的可靠性.     

SiC MOSFET并联动态电流不均衡的无源补偿策略

SiC MOSFET分立器件的并联结构已在中大功率应用中广泛使用,为了充分利用并联的优势,需解决并联动态电流不均衡问题.在SiC MOSFET特性参数中,阈值电压是影响并联动态均流特性最主要的参数.通过建立SiC MOSFET双管并联的电路模型,探究了并联动态电流不均衡的补偿策略,推导了阈值电压对SiC MOSFET开关管动态均流程度影响的公式.建立了含寄生电感的双管并联电路模型,提出了两种双管并联动态电流不均衡的无源补偿策略,即基于共源极寄生电感的补偿策略以及基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略.通过仿真比较了两种无源补偿策略下的开关总损耗.最后,优化了基于开尔文源极电感和功率源极寄生电感并联的补偿策略,并通过双脉冲实验验证了此并联补偿策略下的动态均流效果.     

基于平均迁移率模型的SiC埋沟MOSFET Ⅰ-Ⅴ特性

提出了一种SiC隐埋沟道MOSFET平均迁移率模型,并在此基础上对器件I-V特性进行了研究。采用一个随栅压变化的平均电容公式,并用一个简单的解析表达式来描述沟道平均迁移率随栅压的变化关系。计算漏电流时考虑了埋沟器件的三种工作模式,推出了各种工作模式下的漏电流表达式,并用实验值对模型进行了验证。     

实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(上)

针对实际应用中Power MOSFET开关工作状况与现有文献的描述有很大不同,使用不当易造成器件的损坏和设备的崩溃这一现象,在应用条件下对Power MOSFET开关特性进行了研究,深入分析了Power MOSFET的开关过程,提出了关于开关过程四阶段的新观点,并采用对开关过程的等效输入电容进行分段线性化的新方法对不同阶段的开关参数进行了计算,搭建了开关特性实验电路,实验结果表明,提出的Power MOSFET开关过程四阶段的新观点是正确的,等效输入电容分段线性化的新方法是合理的。     

SiO2/4H-SiC界面氮化退火

通过1 300℃高温干氧热氧化法在n型4H-SiC外延片上生长了厚度为60 nm的SiO2栅氧化层.为了开发适合于生长低界面态密度和高沟道载流子迁移率的SiC MOSFET器件产品的栅极氧化层退火条件,研究了不同退火条件下的SiO2/SiC界面电学特性参数.制作了MOS电容和横向MOSFET器件,通过表征SiO2栅氧化层C-V特性和MOSFET器件I-V特性,提取平带电压、C-V磁滞电压、SiO2/SiC界面态密度和载流子沟道迁移率等电学参数.实验结果表明,干氧氧化形成SiO2栅氧化层后,在1 300℃通入N2退火30 min,随后在相同温度下进行NO退火120 min,为最佳栅极氧化层退火条件,此时,SiO2/SiC界面态密度能够降低至2.07×1012 cm-2·eV-1@0.2 eV,SiC MOSFET沟道载流子迁移率达到17 cm2·V-1·s-1.