针对高可靠性和高性能优化的1200V碳化硅沟道MOSFET

标题：1200V SiC Trench-MOSFET Optimized for High Reliability and High Performance

摘要

本文详细分析了新开发的Infineon 1200V CoolSiC™ MOSFET的典型静态和动态性能，该器件的设计目标是45 mΩ的导通电阻。为了与各种标准门极驱动器兼容，该器件的门压范围设计为在关态下为-5 V，在开态下为+15 V。经过长期门氧寿命测试，发现该器件的外在故障演化遵循线性E模型，这允许在规定的使用条件下对设备寿命内的故障率进行自信的预测，其20年内的故障率为0.2 ppm。

信息解释

当半导体器件在使用过程中，由于某种原因，如电场、温度、电压应力等导致了氧化物的损伤，这些损伤最终可能会导致器件失效。 E模型（Extrinsic Model） 是一种半导体器件外在故障（extrinsic failure）的预测模型，它可以用来预测半导体器件失效率。E模型通常用于预测器件的氧化物损伤造成的故障率。

E模型假设氧化物损伤是由电场强度在氧化物中产生的缺陷引起的，并且假设缺陷密度与电场强度之间存在一个线性关系。这个线性关系可以用下面的公式来表示：

N(t) = N0 + αEt

其中，N(t)是时间t后的缺陷密度，N0是初始缺陷密度，α是一个常数，E是电场强度。

在使用E模型进行故障率预测时，需要知道器件的使用条件，例如电压、温度、应力等，并且需要进行长期的寿命测试，以确定初始缺陷密度和常数α的值。然后，使用上述公式可以预测器件在给定使用条件下的失效率。

需要注意的是，E模型只适用于预测由电场强度引起的氧化物损伤造成的故障率，不适用于其他类型的故障。因此，在使用E模型进行故障率预测时，需要仔细考虑器件的使用条件和故障模式。

0.2 ppm代表0.00002%。ppm是"parts per million"的缩写，用于表示一种物质在另一种物质中的浓度，表示单位为每百万个单位中有多少个部分。在这种情况下，0.2 ppm表示在每一百万个器件中，有0.2个器件在规定的使用条件下在20年内发生故障。

同步整流技术是一种电源电路技术，用于提高开关电源的效率。在传统的开关电源中，输出端需要使用二极管来整流，但二极管有一个固定的正向压降，会导致能量的损失。同步整流技术通过在开关管上增加同步整流管，使得在输出端的整流过程中，电流只流向负载，而不会流向二极管，从而减小能量损失。同步整流技术的主要优点是提高了电源的效率、降低了电源的热损耗和体积，同时也有助于减少电路噪声和提高输出电压质量。

研究了什么

该文章研究了一种新开发的英飞凌1200V CoolSiC™ MOSFET的性能，该器件旨在提高可靠性和性能。该研究分析了MOSFET的典型静态和动态性能，包括其电容、门电荷特性、开关损耗和控制电压斜率的能力。该研究还包括长期门氧化寿命测试，以预测器件在指定使用条件下的故障率。

文章创新点

该文章的创新点包括：

• 开发一种新的英飞凌1200V CoolSiC™ MOSFET，旨在提高可靠性和性能。
• 分析MOSFET的典型静态和动态性能，包括其电容、门电荷特性、开关损耗和控制电压斜率的能力。
• 包括长期门氧化寿命测试，以预测器件在指定使用条件下的故障率。
• 设计MOSFET具有较小的栅漏反向电容C_rss，相对于输入电容C_iss，这有利于在半桥配置下防止MOSFET的寄生反向开启和精密门驱动电路。
• 使用TO-247封装的第四个引脚，用于从门极驱动器到源极的连接，以避免任何源漂移电感引起的负反馈。
• 建议采用同步整流来减少反向导通模式下的静态损耗，通过打开通道，从而在25℃时得到33 mΩ的导通电阻，在175℃时得到66 mΩ的导通电阻。

文章的研究方法

通过各种测试和测量分析新开发的MOSFET的性能，包括长期门氧化寿命测试、电容测量、门电荷特性、开关损耗和控制电压斜率的能力。该研究还包括使用4引脚TO-247封装的门极驱动器连接到源极，以避免任何源漂移电感引起的负反馈。

文章的结论

该文章详细分析了一种新开发的英飞凌1200V CoolSiC™ MOSFET的典型静态和动态性能，旨在提高可靠性和性能。MOSFET的设计具有较小的栅漏反向电容C_rss，相对于输入电容C_iss，这有利于在半桥配置下防止MOSFET的寄生反向开启和精密门驱动电路。该研究还包括长期门氧化寿命测试，以预测器件在指定使用条件下的故障率。该文章提供了有关MOSFET的电容、门电荷特性、开关损耗和控制电压斜率的见解，这对于从事功率电子领域的研究人员和工程师可能很有用。