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 (V_ذ) ، المقاومة على الدولة (R_{DS (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 (V_س) عند 0 فولت
• اختبارات موثوقية التحيز في درجة الحرارة وعدم الاستقرار (BTI)، التي يتم إجراؤها في انحياز ثابت

الخامس_ذ 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 (V_ع) 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 V_س عند 0 فولت. أصبح هذا الاختبار الآن جزءًا من إرشادات JEDEC JEP195.

أشارت الدراسات التي أجريت على سلوك GSS إلى ما يلي:

• الانجراف في V_ذ من دورة التيار المتردد يعتمد على عدد دورات التبديل (N_دورات) ويمكن التعبير عنها كـ ∆الخامس_ذ = أ_س × ن_دورات^ن، حيث الأس ن يختلف.
• أدناه حوالي 10⁷ ن_دورات، يتبع التدهور ثابتًا ن ≈ 0.16، والذي يتم عرضه عادةً تحت ضغط DC-BTI.
• ما بعد 10⁸ ن_دورات, 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 N_دورات يُظهر معدل تحول أقل مشبعًا، مع ن ≈ 0.1.
• الخامس_ذ يعتمد التحول بشدة على الحد الأقصى والحد الأدنى لـ V_ع مستويات التبديل، مع V سلبية بشكل متزايد_{GS_low} قيمة تظهر تحولا أقوى. سلبي V_ع 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.
• الخامس_ذ 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 الموقع_ذ 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
• الخامس_{GS_high} = 18 فولت، الخامس_{GS_low} = -8 فولت
• مقاومة البوابة (ر_ز) = 4.7 أوم
• بالنسبة للحمار، الخامس_نسخة = 400 فولت، بتيار حمل (أي 400 فولت)._ل) من 1.2 أ و ∆i_ل (الذروة الذروة) من 1.6 أ

خارج الوضع V_ذ 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 V_ذ، 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 V_ذ النظام، الذي يشتبه في أنه السبب وراء الاختلاف في V_ذ يحول. سعة استنزاف بوابة ميلر (C_{جي دي}) والسعة الإخراج (C_س) من MOSFET هي وظائف V_س الجهد االكهربى. ويوضح الشكل 5 هذا، والذي يوضح أيضًا هذه التيارات.

في حالة اختبار GSS، فإن V_س هو 0 V. اشتقاق أساسي لتأثير التدفق الحالي من C_{جي دي} المسار من V_س تبديل الغلة العابرة:

∆الخامس_ع = (1 ÷ (1 + (ج_ع ÷ ج_{جي دي}))) × ∆الخامس_س

وهذا يمكن أن يفسر الفرق في الحد الأقصى العابر dV_ع/dt بين القياسين. من الناحية العملية، يعد إجراء اختبارات موثوقية GSS أبسط بكثير، والحل هو تحسين المطابقة في الحد الأقصى للجهد اليومي_ع/dt إلى اختبارات ASS ستكون مؤشرًا أفضل لـ net V_ذ التحول في التطبيق. النتائج، بالطبع، تعتمد بشكل كبير على المكونات الخارجية أيضًا، مثل R_ز والمسارات الاستقرائية. مثال على تأثير R_ز على V_ذ يظهر التحول في الشكل 6.

يعد اختبار GSS جزءًا مهمًا من فحص الموثوقية الشاملة لوحدات SiC MOSFETs. الخامس_ذ التحولات تؤدي إلى زيادة R_{DS (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]