CN107729672A - 一种碳化硅mosfet短路承受时间的预估方法 - Google Patents

一种碳化硅mosfet短路承受时间的预估方法 Download PDF

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张鹏飞
陈怀奎
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郭清
沈诗佳
陈青
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Abstract

一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，涉及功率半导体和电力电子技术领域。根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；建立碳化硅MOSFET芯片的一维热传导模型，用有限差分法解一维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布；将数据加入到一维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间。本发明的技术方案可以在不破坏器件的情况下，直接通过检测联合简单的计算即可得到近似的短路承受时间。

Description

一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法
技术领域
本发明涉及功率半导体和电力电子技术领域，具体是涉及一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，适用于碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管的短路承受时间预估。
背景技术
由于材料方面的限制，硅基功率器件的电学性能已逐步接近由材料特性决定的理论极限(如电压电流隔离能力、导通损耗、功率器件开关速度等)。因此，为了提高电力半导体器件的性能，采用新的器件结构和采用宽禁带半导体材料的电力电子器件是目前的发展趋势。
碳化硅(SiC)是一种非常有应用前景的宽禁带半导体材料，和硅材料相比，SiC具有8倍以上的击穿电场强度和3倍的禁带宽度。因此，SiC器件具有极低的导通比电阻、很高的开关速度和频率。此外，SiC电力电子器件的最大理论工作温度是硅器件的4倍以上，有助于散热系统的优化和功率密度的进一步提升。
但是，目前SiC MOSFET的短路可靠性限制着它的应用，大多数生产商没有提供短路承受时间的数据，而短路承受时间决定了器件的短路保护电路的反应时间的设计。
发明内容
针对目前存在的上述技术问题，本发明提供了一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，需要根据不同应用场景，预估短路承受时间，确定短路保护的反应时间。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，包括如下步骤：
1)、根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达武，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；
用TEK371A晶体管测试仪和温箱测量碳化硅MOSFET器件在不同温度下的转移特性曲线，根据饱和电流与栅源极电压的平方率关系：
式(1)中：
Z：沟道宽度 μni(T)：反型层内的电子迁移率
Cox：氧化层的特征电容 LCH：沟道长度
Vth(T)：阈值电压 Vgs：栅源极电压
对实验数据进行拟合，得到函数Id＝f(Vgs，T)；确定了栅源极电压，在MATLAB中画出函数Id＝f(T)的曲线，就可以找到电流Id的最大值Id，max；
2)、建立碳化硅MOSFET芯片的一维热传导模型；
在MATLAB中，用有限差分法解一维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布：
式(2)中：
k(T)：热传导率，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热传导率随温度的变化；λ(T)＝(-0.0003+1.05×10-5T)-1W/mK；
c(T)：热容，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热容随温度的变化；c(T)＝925.65+0.3772T-7.9259×10-5T2-3.1946×107/T2(J/kgK)；
ρ：SiC材料的密度；
Q(x，t)：发热率；
Q(x，t)＝E(x，t)J(t)＝E(x，t)I(t)/A (3)
式(3)中：
J(t)：电流密度；
I(t)：短路电流，以饱和电流随温度变化曲线的最大值Id，max计；
A：芯片的有效面积，可以通过解剖带封装的器件或直接解剖裸片，再用显微镜观察得到；
E(x，t)：电场强度，假设电场强度分布不受短路过程中载流子流动的影响；
式(4)中：
ε0是真空介电常数，其值是8.85×10-14F/cm；
ks是半导体的介电常数，4H-SiC的介电常数是9.6；
q是单位电荷量，q＝1.6×10-19C；
碳化硅：ND＝1×1016cm-3；硅：ND＝1×1014cm-3；
xj：通过解剖芯片得到；
Vds：根据要求输入；
求解式(2)的边界条件：
碳化硅下边界处温度恒定，为室温；
碳化硅上边界没有热传导；
3)、将数据加入到一维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；
先将饱和电流最大值、电场强度E(x，t)带入式(3)，得到发热率Q(x，t)；然后结合发热率Q(x，t)计算一维系统的温度分布，从而得到芯片内的随时间变化的温度分布，提取出结温随时间变化的曲线；
4)、找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间；
在结温随时间变化的曲线中找到临界结温所对应的短路时间，这个短路时间就是所需预估出的短路承受时间。
本发明的预估方法的主要步骤为：根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；建立碳化硅MOSFET芯片的一维热传导模型，用有限差分法解一维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布；将数据加入到一维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
当需要知道不同应用场景下的碳化硅MOSFET的短路承受时间，且不需要非常精确的结果的情况下，传统的方案是做短路测试得到短路承受时间，这样会消耗一些器件，本发明的技术方案可以在不破坏器件的情况下，直接通过检测联合简单的计算即可得到近似的短路承受时间。
附图说明
图1是SiC MOSFET的一维热传导模型，由于短路时间比较短，只考虑一维的热传导，电场分布用E(x)表示。
具体实施方式
下面对本发明的碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法作进一步的介绍。
一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，包括如下步骤：
1)、根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；
用TEK371A晶体管测试仪和温箱测量碳化硅MOSFET器件在不同温度下的转移特性曲线，根据饱和电流与栅源极电压的平方率关系：
式(1)中：
Z：沟道宽度 μni(T)：反型层内的电子迁移率
Cox：氧化层的特征电容 LCH：沟道长度
Vth(T)：阈值电压 Vgs：栅源极电压
对实验数据进行拟合，得到函数Id＝f(Vgs，T)；确定了栅源极电压，在MATLAB中画出函数Id＝f(T)的曲线，就可以找到电流Id的最大值Id，max；
2)、建立碳化硅MOSFET芯片的一维热传导模型；
在MATLAB中，用有限差分法解一维热传导方程(如图1所示)，可以计算一维系统的温度分布：
式(2)中：
k(T)：热传导率，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热传导率随温度的变化；λ(T)＝(-0.0003+1.05×10-5T)-1W/mK；
c(T)：热容，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热容随温度的变化；c(T)＝925.65+0.3772T-7.9259×10-5T2-3.1946×107/T2(J/kgK)；
ρ：SiC材料的密度；
Q(x，t)：发热率；
Q(x，t)＝E(x，t)J(t)＝E(x，t)I(t)/A (3)
式(3)中：
J(t)：电流密度；
I(t)：短路电流，以饱和电流随温度变化曲线的最大值Id，max计；
A：芯片的有效面积，可以通过解剖带封装的器件或直接解剖裸片，再用显微镜观察得到；
E(x，t)：电场强度，假设电场强度分布不受短路过程中载流子流动的影响；
式(4)中：
ε0是真空介电常数，其值是8.85×10-14F/cm；
ks是半导体的介电常数，4H-SiC的介电常数是9.6；
q是单位电荷量，q＝1.6×10-19C；
碳化硅：ND＝1×1016cm-3；硅：ND＝1×1014cm-3；
xj：通过解剖芯片得到；
Vds：根据要求输入；
求解式(2)的边界条件：
碳化硅下边界处温度恒定，为室温；
碳化硅上边界没有热传导；
3)、将数据加入到一维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；
先将饱和电流最大值、电场强度E(x，t)带入式(3)，得到发热率Q(x，t)；然后结合发热率Q(x，t)计算一维系统的温度分布，从而得到芯片内的随时间变化的温度分布，提取出结温随时间变化的曲线；
4)、找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间；
在结温随时间变化的曲线中找到临界结温所对应的短路时间，这个短路时间就是所需预估出的短路承受时间；临界结温是根据短路实验数据和热仿真结果得到的，一般而言，对于碳化硅MOSFET来说，可以取2000℃为临界结温。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种碳化硅MOSFET短路承受时间的预估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、根据不同温度情况下的转移特性曲线，拟合饱和电流随温度变化的表达式，求出饱和电流随温度变化曲线的最大值；
用TEK371A晶体管测试仪和温箱测量碳化硅MOSFET器件在不同温度下的转移特性曲线，根据饱和电流与栅源极电压的平方率关系：
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Z&amp;mu;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中：
Z：沟道宽度 μni(T)：反型层内的电子迁移率
Cox：氧化层的特征电容 LCH：沟道长度
Vth(T)：阈值电压 Vgs：栅源极电压
对实验数据进行拟合，得到函数Id＝f(Vgs，T)；确定了栅源极电压，在MATLAB中画出函数Id＝f(T)的曲线，就可以找到电流Id的最大值Id，max；
2)、建立碳化硅MOSFET芯片的-维热传导模型；
在MATLAB中，用有限差分法解-维热传导方程，可以计算一维系统的温度分布：
<mrow> <mfrac> <mo>&amp;part;</mo> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(2)中：
k(T)：热传导率，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热传导率随温度的变化；λ(T)＝(-0.0003+1.05×10-5T)-1W/mK；
c(T)：热容，由于碳化硅的温度变化比较大，因此考虑碳化硅的热容随温度的变化；c(T)＝925.65+0.3772T-7.9259×10-5T2-3.1946×107/T2(J/kgK)；
ρ：SiC材料的密度；
Q(x，t)：发热率；
Q(x，t)＝E(x，t)J(t)＝E(x，t)I(t)/A (3)
式(3)中：
J(t)：电流密度；
I(t)：短路电流，以饱和电流随温度变化曲线的最大值Id，max计；
A：芯片的有效面积，可以通过解剖带封装的器件或直接解剖裸片，再用显微镜观察得到；
E(x，t)：电场强度，假设电场强度分布不受短路过程中载流子流动的影响；
<mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>qN</mi> <mi>D</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mi>x</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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ε0是真空介电常数，其值是8.85×10-14F/cm；
ks是半导体的介电常数，4H-SiC的介电常数是9.6；
q是单位电荷量，q＝1.6×10-19C；
碳化硅：ND＝1×1016cm-3；硅：ND＝1×1014cm-3；
xj：通过解剖芯片得到；
Vds：根据要求输入；
求解式(2)的边界条件：
碳化硅下边界处温度恒定，为室温；
碳化硅上边界没有热传导；
3)、将数据加入到-维热传导模型，获得结温随时间变化的曲线；
先将饱和电流最大值、电场强度E(x，t)带入式(3)，得到发热率Q(x，t)；然后结合发热率Q(x，t)计算-维系统的温度分布，从而得到芯片内的随时间变化的温度分布，提取出结温随时间变化的曲线；
4)、找到临界结温所对应的短路时间，即为短路承受时间；
在结温随时间变化的曲线中找到临界结温所对应的短路时间，这个短路时间就是所需预估出的短路承受时间。
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