CN110907791A - 一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法 - Google Patents

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孙晓华
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Abstract

本发明公开了一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法，首先确定合适大小的重复浪涌电流，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估。再对SiC MOSFET分立器件一的体二极管进行常温下重复浪涌电流功率循环试验，对同型号的SiC MOSFET分立器件二的体二极管进行高温下重复浪涌电流功率循环试验，当SiC MOSFET分立器件一与器件二的体二极管老化到一定程度时，测量SiC MOSFET分立器件一、器件二的体二极管的静态特性(正向IV特性)以及动态特性(反向恢复电流波形)的退化，高温下重复浪涌电流功率循环克服了直流电流应力功率循环的局限性，控制简单，可靠性强，功率循环期间无持续的热量积累，对封装的特性无影响，可在高温环境中进行，提高了老化效率，加速了双极退化。

Description

一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法
技术领域
本发明属于SiC功率半导体器件领域，特别涉及一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法。
背景技术
与半导体Si材料相比，宽带隙半导体SiC具有较大的带隙(3倍于Si)、较高的导热率(3倍于Si)、较高的电子饱和速度(2倍于Si)等更优异的材料特性，其耐温能力更强，适用频率更高，被广泛应于高功率密度和高转换效率的电力电子系统中。然而，SiC双极型功率器件存在双极退化问题，当SiC功率半导体器件中长时间地发生电子和空穴复合并且复合能量超过一定值时，SiC功率半导体器件发生老化，预先存在的基平面位错(BPD)扩展为堆垛层错(SF)，严重影响SiC双极型功率器件的性能，例如少子寿命减少和导通压降漂移，对SiC双极型功率器件的长期可靠性非常不利。
为研究双极退化机理，通常对SiC双极型功率器件进行常温下直流电流应力功率循环，当器件老化到一定程度，然后测量器件静态特性(导通压降、导通电阻等)以及动态特性(反向恢复电流等)的退化。该测试方法中的功率循环试验控制复杂，成本较高，需要进行实时的结温监控与较复杂的开关控制以避免热失控等因素对封装的影响，且通常在常温环境下进行，老化效率低。
发明内容
本发明对加速SiC MOSFET体二极管的双极退化，提出了一种功率循环方法，高温下重复浪涌电流功率循环克服了直流电流应力功率循环的局限性，控制简单，可靠性强，功率循环期间无持续的热量积累，避免了热失控，对封装的特性无影响，可在高温环境中进行，提高了老化效率，加速了双极退化，为研究SiC双极型功率器件在高温下的双极退化机理与SiC材料位错缺陷提供了一种新的老化手段，对SiC双极型功率器件长期可靠性的研究具有重要意义，可为SiC双极型功率器件的研制提供指导。
本发明的基本思路是确定合适大小的重复浪涌电流，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估。对SiC MOSFET分立器件一的体二极管进行常温下重复浪涌电流功率循环试验，对同型号的SiC MOSFET分立器件二的体二极管进行高温下重复浪涌电流功率循环试验，当SiC MOSFET分立器件一与器件二的体二极管老化到一定程度时，测量SiC MOSFET分立器件一、器件二的体二极管的静态特性(正向IV特性)以及动态特性(反向恢复电流波形)的退化，对比分析实验结果，研究SiC MOSFET体二极管在高温下的双极退化机理。
本发明一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法，本发明包括以下步骤：
1)分别对同型号的SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行静态特性测试，测量其体二极管的正向IV特性；
2)再对上述SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行动态特性测试，测量其体二极管的反向恢复电流波形；
3)确定合适大小的重复浪涌电流，浪涌电流为SiC MOSFET分立器件额定电流的5—10倍，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估，确保功率循环期间SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二的瞬时温度不超过器件最大壳温；
4)对SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
5)对SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温125℃下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
6)直至SiC MOSFET分立器件一、SiC MOSFET分立器件二的体二极管出现明显的静、动态特性退化，比较常温下与高温下的退化现象，分析高温下的退化机理。
本发明的有益之处在于：克服了SiC MOSFET体二极管直流电流应力功率循环试验的局限性，控制简单，无需外加实时结温监控系统与较复杂的开关控制，可靠性强，功率循环期间无持续的热量积聚，避免了热失控，对封装的特性几乎无影响，可在高温环境中进行，提高了老化效率，加速了双极退化，为研究SiC双极型功率器件在高温下的双极退化机理与SiC材料位错缺陷提供了一种新的老化手段，对SiC双极型功率器件长期可靠性的研究具有重要意义，可以为SiC双极型功率器件的研制提供指导。
附图说明
图1为本发明的算法流程图。
图2为双脉冲动态测试电路示意图。
图3为功率半导体浪涌电流测试台的浪涌电流波形图。
图4为SiC MOSFET分立器件的体二极管单次浪涌期间IV特性示意图。
图5为SiC MOSFET分立器件的体二极管单次浪涌期间瞬时温度示意图。
图6为SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环的实验结果。(a)为SiC MOSFET分立器件一的体二极管在功率循环前后静态特性的变化结果：(b)为SiC MOSFET分立器件一的体二极管在功率循环前后动态特性的变化结果；
图7为SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温125℃下进行重复浪涌电流功率循环的实验结果。(a)为SiC MOSFET分立器件二的体二极管在功率循环前后静态特性的变化结果：(b)为SiC MOSFET分立器件二的体二极管在功率循环前后动态特性的变化结果；
图8为SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环与SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温125℃下进行重复浪涌电流功率循环的实验结果对比。(a)为SiC MOSFET分立器件一的体二极管与SiC MOSFET分立器件二的体二极管的静态特性变化对比：(b)为SiC MOSFET分立器件一的体二极管与SiC MOSFET分立器件二的体二极管的动态特性变化对比；
具体实施方式
本发明需要功率器件分析仪Keysight B1505A、双脉冲动态性能测试系统、功率半导体浪涌电流测试台与高温烘箱。
参照图1所示，本发明包括以下步骤：
1)分别对同型号的SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行静态特性测试，测量其体二极管的正向IV特性；
2)再对上述SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行动态特性测试，测量其体二极管的反向恢复电流波形；
3)确定合适大小的重复浪涌电流，浪涌电流为SiC MOSFET分立器件额定电流的5—10倍，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估，确保功率循环期间SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二的瞬时温度不超过器件最大壳温；
4)对SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
5)对SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温125℃下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
6)直至SiC MOSFET分立器件一、SiC MOSFET分立器件二的体二极管出现明显的静、动态特性退化，比较常温下与高温下的退化现象，分析高温下的退化机理。
步骤:1：利用功率器件分析仪Keysight B1505A测试两个自制的、同型号、已封装好的SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二的静态特性，测量其体二极管的正向IV特性。
步骤2：参照图2，利用双脉冲动态测试系统分别测试SiC MOSFET分立器件一与SiCMOSFET分立器件二的动态特性，测量其体二极管的反向恢复电流波形。
步骤3：在进行重复浪涌电流功率循环试验之前，确定合适大小的重复浪涌电流，参照图3，浪涌电流为SiC MOSFET分立器件额定电流的5—10倍，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估。调节浪涌电流的大小，利用功率半导体浪涌电流测试台测量并记录单次浪涌IV特性，根据此特性计算并评估单次浪涌电流期间的瞬时温度，确保功率循环期间瞬时温度不超过SiC MOSFET分立器件的最大壳温，防止对器件的封装特性造成不利影响。参照图4、图5经调试，重复浪涌电流确定为70A，经温度评估，常温下与高温下功率循环的瞬时温度均不超过器件最大壳温175℃，无持续热量积聚，无需实时的结温监控系统与复杂的开关控制。
步骤4：将SiC MOSFET分立器件一插入功率半导体浪涌电流测试台的测试底座中，短接栅极与漏极，利用Labview程序控制功率半导体浪涌电流测试台设置70A的重复浪涌电流、30s的浪涌间隔时间与1000次的循环次数，对SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环试验，到达设定的循环次数后取下器件。
步骤5：再次测试SiC MOSFET分立器件一的静、动态特性，比较功率循环前后其体二极管的静、动态特性退化。若体二极管无明显退化，重复步骤4中的功率循环试验，直至体二极管出现明显的退化现象，分析退化机理。
步骤6：将SiC MOSFET分立器件二放置在高温烘箱中，将高温烘箱温度设置为125℃，注意温度不应超过器件的最大壳温175℃，并用高温连接线与功率半导体浪涌电流测试台的测试底座连接，短接栅极与漏极，利用Labview程序控制功率半导体浪涌电流测试台设置70A的重复浪涌电流、30s的浪涌间隔时间与1000次的循环次数，对SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温125℃下进行重复浪涌电流功率循环试验，到达设定的循环次数后取下器件。
步骤7：再次测试SiC MOSFET分立器件二的静、动态特性，比较功率循环前后其体二极管的静、动态特性退化。若体二极管无明显退化，重复步骤6中的功率循环试验，直至体二极管出现明显的退化现象，分析高温下的退化机理。
步骤8：对比SiC MOSFET分立器件一的体二极管与SiC MOSFET分立器件二的体二极管的退化现象，分析温度对退化现象的影响，研究退化机理。
为了对本发明进行测试，我们对两个自制的、型号相同的、已封装好的SiC MOSFET分立器件一与分立器件二的体二极管分别进行测试，功率循环之前，测试了其体二极管的静、动态特性，并确定了70A的重复浪涌电流、30s浪涌时间间隔，经温度评估，常温下和高温下功率循环的瞬时温度均未超过器件的最大壳温175℃，无持续的热量积聚，避免了热失控，对封装的特性几乎无影响，无需实时的结温监控系统与复杂的开关控制。对SiC MOSFET分立器件一的体二极管进行常温下重复浪涌电流功率循环试验，对SiC MOSFET分立器件二的体二极管进行高温125℃下重复浪涌电流功率循环试验，每个器件进行了5000次功率循环。
参照图6、图7、图8所示，SiC MOSFET分立器件一的体二极管经过常温下重复浪涌电流功率循环实验，静态特性(正向IV特性)与动态特性(反向恢复电流波形)均出现了明显的退化。与SiC MOSFET分立器件一的体二极管相比，在相同的重复浪涌电流、相同的浪涌时间间隔与相同的功率循环次数下，SiC MOSFET分立器件二的体二极管经过高温125℃下重复浪涌电流功率循环实验，静态特性(正向IV特性)与动态特性(反向恢复电流波形)出现了更大的退化。根据相应静、动态特性的变化，可以断定两者体二极管的退化为双极退化。此外，与其他文献中的直流电流应力功率循环实验相比，SiC MOSFET分立器件一与SiCMOSFET分立器件二均未出现与封装相关的退化。
综上所述，与直流电流应力功率循环方法相比，高温下重复浪涌电流功率循环方法控制简单，无需外加实时结温监控系统与复杂的开关控制，可靠性强，功率循环期间无持续的热量积聚，避免了热失控，对封装的特性几乎无影响。与常温下重复浪涌电流功率循环方法相比，加入了高温因素，提高了老化效率，加速了SiC MOSFET体二极管双极退化现象的出现，有利于其双极退化机理的研究，对SiC双极型功率器件长期可靠性的研究具有重要意义，可以为SiC双极型功率器件的研制提供指导。

Claims (2)

1.一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别对同型号的SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行静态特性测试，测量其体二极管的正向IV特性；
2)再对上述SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二进行动态特性测试，测量其体二极管的反向恢复电流波形；
3)确定合适大小的重复浪涌电流，浪涌电流为SiC MOSFET分立器件额定电流的5—10倍，并进行常温下和高温下功率循环的温度评估，确保功率循环期间SiC MOSFET分立器件一与SiC MOSFET分立器件二的瞬时温度不超过器件最大壳温；
4)对SiC MOSFET分立器件一的体二极管在常温下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
5)对SiC MOSFET分立器件二的体二极管在高温100-150℃下进行重复浪涌电流功率循环试验，再次测量静、动态特性；
6)直至SiC MOSFET分立器件一、SiC MOSFET分立器件二的体二极管出现明显的静、动态特性退化，比较常温下与高温下的退化现象，分析高温下的退化机理。
2.根据权利要求1所述的一种加速SiC MOSFET体二极管双极退化的功率循环方法，其特征在于，步骤4)和步骤5)中，进行重复浪涌电流功率循环试验2000—50000次。
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