碳化硅 (SiC) 已被證明是高功率和高電壓器件的理想材料。但是，設(shè)備的可靠性極其重要，我們指的不僅僅是短期可靠性，還包括長期可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素，但可靠性和耐用性是 SiC 成功的關(guān)鍵。有 30 多家公司已將 SiC 技術(shù)作為其功率器件生產(chǎn)的基礎(chǔ)。此外，幾家的功率模塊和功率逆變器制造商已經(jīng)為未來基于 SiC 的產(chǎn)品的路線圖奠定了基礎(chǔ)。SiC MOSFET 即將終取代硅功率開關(guān)；該行業(yè)需要能夠應(yīng)對不斷變化的市場的新驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換解決方案。
    性能和可靠性

    可以通過在 SiC 功率器件上運(yùn)行 HTGB（高溫柵極偏置）和 HTRB（高溫反向偏置）壓力測試來評(píng)估性能。Littelfuse 在 175°C 的溫度下對 1200V、80mΩ SiC MOSFET 進(jìn)行了壓力測試，使用不同的VGS值 并對器件施加長達(dá) 1000 小時(shí)的壓力。結(jié)果如圖 1所示。

    圖 1 HTRB 和 HTGB 壓力測試結(jié)果（未觀察到相關(guān)變化）
   
    盡管獲得了優(yōu)異的結(jié)果，HTGB+測試（V GS =+25V，T=175°C）的持續(xù)時(shí)間已延長至5500小時(shí)，而HTGB-測試（V GS =-10V，T=175°C）的持續(xù)時(shí)間) 已延長至 2700 小時(shí)。即使在這些情況下，也觀察到了偏差，證實(shí)了 SiC MOSFET 在這些條件下的性能和可靠性。

    柵極氧化物是 SiC MOSFET 的關(guān)鍵元件，因此其可靠性極為重要。柵氧化層可靠性的評(píng)估分為兩部分。部分基于 TDDB（隨時(shí)間變化的介質(zhì)擊穿）測試。根據(jù)施加在柵極氧化物上的電場（從 6 到 10 MV/cm），器件壽命會(huì)發(fā)生顯著變化。圖 2顯示了在不同溫度下進(jìn)行的該測試的結(jié)果。在第二部分中，對常見的 1200V、18mΩ 硅 MOSFET 進(jìn)行了加速柵極氧化物壽命測試。兩個(gè)測試結(jié)果之間的密切一致證實(shí) SiC MOSFET 是可靠的器件，在 T=175°C 和VGS =25V下工作時(shí)，預(yù)計(jì)壽命超過 100 年。

    圖 2 加速柵氧化層壽命測試結(jié)果
   
    短路魯棒性

    與 SiC 技術(shù)相關(guān)的另一個(gè)重要方面是短路魯棒性。為了檢查其 SiC 功率器件的短路穩(wěn)健性，Littelfuse 開發(fā)了自己的專用測試板。圖 3所示的電路包括一個(gè) 1200V 80mΩ SiC MOSFET (DUT)、一個(gè)僅出于安全原因使用的 IGBT (Q1) 和三個(gè)電容器。結(jié)果如圖 4所示， 根據(jù)施加的柵極電壓（12V、15V、18V 或 20V），短路耐受時(shí)間會(huì)發(fā)生顯著變化。

    圖3 短路測試電路

   

    圖 4 不同柵極電壓下的短路耐受時(shí)間
   
    長的時(shí)間（約 15?s）是在柵極電壓 (12V) 下獲得的。此外，峰值電流在很大程度上取決于柵極電壓，從 20V 柵極電壓時(shí)的近 300A 降至 12V 柵極電壓時(shí)的約 130A。即使 SiC MOSFET 的短路耐受時(shí)間短于 IGTB 的短路耐受時(shí)間，SiC 器件也可以通過集成在柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 中的 de-sat 功能得到保護(hù)。
    雪崩強(qiáng)度
    評(píng)估 SiC MOSFET 的另一個(gè)重要參數(shù)是雪崩強(qiáng)度，它通過非鉗位電感開關(guān) (UIS) 測試進(jìn)行評(píng)估。雪崩能量顯示了 MOSFET 在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生瞬變的能力。Littelfuse 的雪崩耐久性評(píng)估方法不是執(zhí)行典型的 UIS 測試（這是一種破壞性測試），而是基于對 SiC 功率 MOSFET 的全面表征，以更好地了解它們的穩(wěn)健性。

    因此，對 1200V 160mΩ SiC MOSFET 進(jìn)行了重復(fù)的 UIS (R-UIS) 測試，僅提供該器件可處理的能量的 25%（125mJ 而不是 500mJ）。該測試以 20 毫秒的 UIS 周期重復(fù) 100,000 次。SiC MOSFET 展示了出色的 R-UIS 能力：在 R-UIS 壓力測試 100,000 次循環(huán)后，關(guān)鍵電氣性能（例如導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓和漏極漏電流）沒有觀察到參數(shù)偏移。運(yùn)行模擬也可以獲得相關(guān)信息。圖 5顯示了應(yīng)用 V DS 執(zhí)行的仿真結(jié)果 1600V 到 MOSFET：柵極氧化層上的電場可達(dá) 4 MV/cm，并產(chǎn)生大量熱量。通常對柵極氧化物應(yīng)用適當(dāng)?shù)钠帘巍?/p>

    圖 5 柵極氧化物屏蔽是實(shí)現(xiàn)雪崩耐受性的關(guān)鍵因素
    資料
    解決方案
    當(dāng)前的Littelfuse產(chǎn)品組合包括以下 SiC MOSFET：1200V 80/120/160mΩ 和 1700V 750mΩ，均采用 TO247-3L 封裝。采用相同封裝的其他器件將很快投產(chǎn)，此外，采用 TO247-4L、TO263-7L (D2PAK) 和 TO268-2L (D3PAK) 封裝的類似器件也將投入生產(chǎn)。
    TO247-3L 是常見的封裝，廣泛用于特定和通用應(yīng)用。TO-247-4L 是一種四引腳封裝，其柵極驅(qū)動(dòng)源端子采用開爾文連接。因此可以降低內(nèi)部源極布線的電感，從而使 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率。TO263-7L 是七針封裝，采用開爾文連接，適用于表面貼裝。TO268-2L為雙引腳封裝，中間無引腳，保證爬電距離。
    SiC MOSFET 即將終取代硅功率開關(guān)，需要能夠應(yīng)對不斷發(fā)展的市場的新驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換解決方案。由于其出色的熱特性，SiC 器件代表了各種應(yīng)用的解決方案，例如汽車領(lǐng)域的功率驅(qū)動(dòng)電路?？紤]到后者必須具有快速 dV/dt 才能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)時(shí)間，SiC MOSFET 晶體管必須在更高的柵極電壓下運(yùn)行。為滿足下一代 MOSFET 的嚴(yán)格要求，RECOM 推出了各種轉(zhuǎn)換器，專為為 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器供電而設(shè)計(jì)。

    RECOM系列 RxxP22005D 和 RKZ-xx2005D 專為滿足 SiC MOSFET 日益增長的市場需求而設(shè)計(jì)。這兩個(gè)系列具有非對稱輸出，用于控制輸入電壓范圍為 5V 至 24V 的 SiC 驅(qū)動(dòng)器。絕緣確實(shí)是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中仔細(xì)考慮的一個(gè)重要因素：兩個(gè)新系列都提供的安全性，隔離電壓約為 4 kVDC。寄生電容被強(qiáng)烈衰減，從而消除了振蕩問題并允許在功率共享模式（不對稱電流、不對稱功率）下運(yùn)行。除了符合 RoHS 指令外，新設(shè)備還獲得了 UL-60950-1 （圖 6）。

    圖 6帶有 RxxP22005D 的典型應(yīng)用電路 []
    由于硅材料的固有和物理特性，對高效率和高功率密度設(shè)備的需求不斷增長，這對硅基半導(dǎo)體來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。這些限制可以通過使用寬帶隙材料（例如 SiC）來克服。例如，光伏應(yīng)用需要高效電子元件，而基于 SiC 的器件可以完美地滿足這些要求。DC-DC轉(zhuǎn)換器制造商的機(jī)會(huì)并不缺乏。公司不斷通過新的包裝項(xiàng)目突破極限，提高集成度。