اختبارات إجهاد البوابة لدوائر SiC MOSFETs
[ad_1]
يعد فهم أوضاع فشل أجهزة أشباه الموصلات أمرًا أساسيًا لإنشاء اختبارات الفحص والتأهيل والموثوقية التي يمكن أن تضمن عمل الأجهزة ضمن الحدود المحددة في ورقة البيانات وتلبية معدلات الفشل الصارمة المتزايدة للأجزاء لكل مليار المطلوبة في تطبيقات السيارات وغيرها من تطبيقات تحويل الطاقة. في هذه المقالة، سنناقش اختبارات إجهاد تبديل البوابة (GSS) التي يتم إجراؤها على أجهزة MOSFET من كربيد السيليكون. تم تقديم هذه البيانات في مؤتمر APEC 2024 من خلال جهد تعاوني من مجموعة نظام إمدادات الطاقة في جامعة أوفييدو (إسبانيا) وأونسيمي (بلجيكا).1
تأثيرات إجهاد البوابة DC مقابل AC في SiC MOSFETs
لقد كانت موثوقية أكسيد البوابة لدوائر SiC MOSFET موضوعًا لدراسة مكثفة لسنوات عديدة. تم العثور على واجهة الأكسيد/SiC لإنشاء تحولات كبيرة في معلمات الجهاز الرئيسية مثل جهد العتبة (Vذ) ، المقاومة على الدولة (RDS (على)) ويفشل العمر المبكر. أدت التحسينات في معالجة أكسيد البوابة، بما في ذلك النتردة، إلى تحسينات ملحوظة في الموثوقية الجوهرية لأكسيد البوابة في ظل اختبارات الموثوقية والتأهيل القياسية. تتضمن بعض هذه الاختبارات المأخوذة من اختبار أجهزة السيليكون ما يلي:
- اختبارات انهيار العزل الكهربائي المعتمدة على الوقت، والتي يتم إجراؤها عادةً على المكثفات تحت ضغط مستمر في ظل ظروف متسارعة لاشتقاق حالات الفشل في منحنيات الوقت في ظل الظروف المقدرة
- تأهيل انحياز البوابة عند درجة حرارة عالية، يتم إجراؤه على الأجهزة المعبأة مع انحياز بوابة ثابت عند الحد الأقصى لمواصفات البوابة ودرجة الحرارة مع جهد مصدر التصريف (Vس) عند 0 فولت
- اختبارات موثوقية التحيز في درجة الحرارة وعدم الاستقرار (BTI)، التي يتم إجراؤها في انحياز ثابت
الخامسذ عادة ما يكون الانجراف في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC أكبر من الانجراف في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للسيليكون في ظل ظروف تحيز التيار المستمر. علاوة على ذلك، كانت العديد من الجهود تهدف إلى اختبار هذا التحول في ظل ظروف خاصة بالتطبيق حيث يقوم الجهاز عادةً بالتبديل. يمكن أن يؤدي هذا التبديل العابر إلى زيادة/نقصان جهد مصدر البوابة (Vع) التي يمكن أن تعتمد على عدة عوامل، مثل معدلات انتقال التشغيل وإيقاف التشغيل، والسعات الداخلية للجهاز، والمكونات الخارجية التي يمكن تصميمها (مثل مقاومات البوابة) أو الطفيليات (مثل محاثات سلك الرابطة ). تم اقتراح اختبارات GSS حيث تخضع البوابة لدورات تبديل متكررة عند أقصى درجة حرارة محددة للجهاز، مع Vس عند 0 فولت. أصبح هذا الاختبار الآن جزءًا من إرشادات JEDEC JEP195.
أشارت الدراسات التي أجريت على سلوك GSS إلى ما يلي:
- الانجراف في Vذ من دورة التيار المتردد يعتمد على عدد دورات التبديل (Nدورات) ويمكن التعبير عنها كـ ∆الخامسذ = أس × ندوراتن، حيث الأس ن يختلف.
- أدناه حوالي 107 ندورات، يتبع التدهور ثابتًا ن ≈ 0.16، والذي يتم عرضه عادةً تحت ضغط DC-BTI.
- ما بعد 108 ندورات, ن يزيد إلى ≈ 0.32، وهو سلوك لا يُرى تحت ضغط التيار المستمر. يظهر تمثيل لهذا التحول في الشكل 1.
- التأكيد لفترة أطول من ≈ 1e11 Nدورات يُظهر معدل تحول أقل مشبعًا، مع ن ≈ 0.1.
- الخامسذ يعتمد التحول بشدة على الحد الأقصى والحد الأدنى لـ Vع مستويات التبديل، مع V سلبية بشكل متزايدGS_low قيمة تظهر تحولا أقوى. سلبي Vع يوصى عادةً بإيقاف تشغيل وحدات SiC MOSFET، خاصة في ظل ظروف التبديل الصعبة، لتقليل مخاطر التشغيل الخاطئ من اقتران سعة ميلر وكذلك تقليل فقد التبديل.
- الخامسذ التحول من GSS غير قابل للاسترداد إلى حد كبير، على عكس ذلك الناتج عن إجهاد DC-BTI.
من وجهة نظر القياس، يضمن الاختبار عالي التردد تحقيق عدد كبير بما فيه الكفاية من الدورات في إطار زمني معقول مع الاستمرار في ملاحظة تحولات GSS. على سبيل المثال، يمكن أن يحقق التحويل بتردد 500 كيلو هرتز أكثر من 1e12 دورة في 1000 ساعة. وفي بعض التطبيقات، مثل العاكس الشمسي، قد لا يكون هذا كافيًا لتقليد العمر المتوقع البالغ 20 عامًا، ولكن يمكن بعد ذلك استخدام الاستقراءات بثقة معقولة.2 تعمل خاصية عدم الاسترداد أيضًا على تسهيل إجراء V خارج الموقعذ القياسات بمجرد تفريغ الأجزاء من أفران الضغط.
GSS مقارنة مع ASS
أحد الأسئلة المهمة التي تطرح هو ما إذا كانت اختبارات GSS تعكس بدقة الضغط الذي يظهر تحت ضغط تبديل التطبيق (ASS). غوميز وآخرون. حاولت الإجابة على هذا السؤال باستخدام إعداد الاختبار الموضح في الشكل 2. تم تكوين ASS كمحول تعزيز، ولكن بخلاف ذلك تعمل الإعدادات المشابهة على تطبيع ظروف الاختبار الأخرى، وخاصة محرك البوابة.
كانت الأجهزة المستخدمة هي وحدات SiC MOSFET ذات تصنيف 1200 فولت. بعض الشروط المستخدمة للاختبارات هي:
- تردد التبديل = 100 كيلو هرتز
- الخامسGS_high = 18 فولت، الخامسGS_low = -8 فولت
- مقاومة البوابة (رز) = 4.7 أوم
- بالنسبة للحمار، الخامسنسخة = 400 فولت، بتيار حمل (أي 400 فولت).ل) من 1.2 أ و ∆iل (الذروة الذروة) من 1.6 أ
خارج الوضع Vذ تم إجراء القياسات على فترات دورية. وتظهر نتائج التحول الذي شوهد في كل حالة في الشكل 3.
تظهر DUTs الخاضعة لـ ASS تحولًا أكبر في Vذ، مع استخدام DUTs المنخفضة والعالية في محول التعزيز والتي تظهر اتجاهات مماثلة. لتحديد سبب ذلك، قام الباحثون بفحص الأشكال الموجية لتبديل البوابة وأجروا عمليات محاكاة. يظهر الشكل 4 أشكال موجات التشغيل. على الرغم من أن أوقات التبديل من 10% إلى 90% تبدو قابلة للمقارنة، إلا أن الحد الأقصى للقيمة الرقمية للجهد (dV)ع/dt المنحدر أعلى أثناء ASS ويظهر المزيد من السلوك التذبذبي.
تختلف التوزيعات الداخلية للتيار العابر من الشحن والتفريغ بالسعة خلال هذه الاختبارات في الجزء الفرعي Vذ النظام، الذي يشتبه في أنه السبب وراء الاختلاف في Vذ يحول. سعة استنزاف بوابة ميلر (Cجي دي) والسعة الإخراج (Cس) من MOSFET هي وظائف Vس الجهد االكهربى. ويوضح الشكل 5 هذا، والذي يوضح أيضًا هذه التيارات.
في حالة اختبار GSS، فإن Vس هو 0 V. اشتقاق أساسي لتأثير التدفق الحالي من Cجي دي المسار من Vس تبديل الغلة العابرة:
∆الخامسع = (1 ÷ (1 + (جع ÷ ججي دي))) × ∆الخامسس
وهذا يمكن أن يفسر الفرق في الحد الأقصى العابر dVع/dt بين القياسين. من الناحية العملية، يعد إجراء اختبارات موثوقية GSS أبسط بكثير، والحل هو تحسين المطابقة في الحد الأقصى للجهد اليوميع/dt إلى اختبارات ASS ستكون مؤشرًا أفضل لـ net Vذ التحول في التطبيق. النتائج، بالطبع، تعتمد بشكل كبير على المكونات الخارجية أيضًا، مثل Rز والمسارات الاستقرائية. مثال على تأثير Rز على Vذ يظهر التحول في الشكل 6.
يعد اختبار GSS جزءًا مهمًا من فحص الموثوقية الشاملة لوحدات SiC MOSFETs. الخامسذ التحولات تؤدي إلى زيادة RDS (على) من بوابة أصغر حجمًا في التطبيق النهائي. في تطبيقات مثل محولات الطاقة الشمسية، حيث قد تخضع الأجزاء لعمر يزيد عن 1e13 دورة تبديل، يعد التنبؤ الدقيق بهذا التحول في سلوك الجهاز أمرًا مهمًا لضمان الأداء السليم للنظام ككل. إن مطابقة أشكال موجة بوابة GSS مع ظروف ASS الفعلية يمكن أن يضمن ذلك.
مراجع
1غوميز وآخرون. (2024). “تحقيق عميق في تدهور SiC MOSFET تحت ضغط تبديل البوابة وضغط تبديل التطبيق.” ابيك 2024.
2سالمين وآخرون. (2021). “إجراء اختبار جديد لتقدير ثبات المعلمة الكهربائية في نهاية العمر لوحدات SiC MOSFET بشكل واقعي في عملية التبديل.” 2021 ندوة IEEE الدولية لفيزياء الموثوقية (IRPS)، الصفحات من 1 إلى 7.
تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
ظهرت اختبارات إجهاد البوابة لدوائر SiC MOSFET للمرة الأولى على Power Electronics News.
[ad_2]