SiC功率器件如何在极端高温条件下保持稳定性能？

随着DC/DC电源转换器、电动汽车车载充电器(OBC)、工业电机驱动器、太阳能逆变器以及牵引逆变器等应用对功率密度的需求日益提高，系统的工作温度也随之增加。这需要使用能够在高达175°C温度下安全运行的元器件。基于宽禁带材料(如碳化硅，SiC)制造的器件满足了这一要求，并在这些应用中越来越受欢迎。

然而，即使是SiC MOSFET，在高温下也会表现出复杂的行为，这通常归因于诸如栅极阈值电压(VGS(th))、导通电阻(RDS(on))、漏源漏电流(IDSS)以及栅源漏电流(IGSS)等关键参数的微小变化。如果不仔细考虑这些变化，可能会导致电力电子系统意外失效。制造商的器件数据手册通常不会详细说明这些参数在高温下的相互依赖性。本文章旨在通过提供设计SiC DC/DC电源转换器的关键参数指南，解决这一不足，确保器件在高达175°C的温度下运行。

碳化硅的优势

在高电压和高温应用中，与传统硅MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)相比，SiC MOSFET具有显著优势，使其成为汽车、可再生能源及工业领域的理想选择。

工程师通常会在应用条件下测试器件的性能，并尝试在考虑所有降额因素的前提下推动器件性能达到极限。热设计是其中一个重要的限制因素。

Nexperia通过行业标准方法对性能参数进行了全面测试。图1(a)显示了一种典型的双脉冲测试设置，用于测试器件参数(如RDS(on)、VGS(th)、IGSS和IDSS)并评估开关性能。

使用Keysight 505功率分析仪生成IV曲线。为了在高温下推动转换器运行，设计时首先需要考虑的参数是器件的RDS(on)。以下章节将通过比较Nexperia器件与几家竞争对手器件的RDS(on)参数变化，展示Nexperia器件在严格制造工艺控制下的优越RDS(on)稳定性。图1显示了RDS(on)随温度变化的情况，并与行业竞争对手进行了对比，以了解其差异。图中，红线代表Nexperia器件，其RDS(on)增加了38%;而蓝线代表的竞争对手C和E的器件分别增加了180%以上和210%以上。RDS(on)的增加会直接导致更高的导通功率损耗，其计算公式为：

P导通损耗 = I? × RDS(on) (1)

如果RDS(on)翻倍，导通损耗也将翻倍，这会导致器件内部产生更多热量，从而使器件更接近其热极限，并增加失效风险。

表1展示了实验中对多个1200 V、40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)测量结果，包括Nexperia及其五个竞争对手(竞争对手A-E)。数据表明，在25°C到175°C的温度范围内，Nexperia的40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)表现出最稳定的性能，其增加幅度仅为1.27到1.55倍，低于其他五个竞争对手。

从实际应用的角度来看，高温下RDS(on)的显著增加会极大影响系统的功率损耗和效率(参见图2中的高温效率测量结果)，从而影响系统的整体可靠性。这种RDS(on)稳定性突显了Nexperia器件在苛刻条件下维持高效率的能力。

图3(a)展示了RDS(on)在不同温度下的变化情况，其中x轴为RDS(on)(单位：mΩ)，y轴为从第2百分位到第98百分位的变化百分比。测试在25个DUT(测试设备)上进行，VGS = 15 V，覆盖的温度范围为-55°C到175°C。每条线代表一个具体温度的结果，显示了RDS(on)的可变性。在较高温度下，RDS(on)表现出更高的稳定性，125°C到175°C的标准偏差约为1.20 mΩ，确保了在热应力下的一致性能，并降低了功率损耗风险。这种高温RDS(on)稳定性提高了功率效率(如图2所示)。

第二个关键参数：VGS(th)

对VGS(th)的严格控制可以实现不同器件之间的静态和动态电流共享。图3(b)详细展示了VGS(th)在-55°C到175°C温度范围内的变化情况，其中x轴为VGS(th)值(单位：mV)，y轴为从第2百分位到第98百分位的变化百分比。每条颜色线代表一个具体温度的结果，清楚地展示了RDS(on)如何随温度变化。在175°C测试中，VGS(th)的标准偏差最低(S = 56.26 mV)，表明其阈值电压最稳定。而在-55°C时，VGS(th)的变化最大，标准偏差达到S = 85.78 mV。

更详细的解释将在完整论文中给出。图4(a)和(b)展示了对IDSS和IGSS进行测试的结果，测试涵盖了75个DUT，并表明了在低温(-55°C、25°C和125°C以下)与高温(150°C或175°C)之间的测试数据差异，这主要归因于漏电流的温度依赖性。在150°C以下的测试中，IDSS值非常低(72个样本中<200 nA);而在175°C时，IDSS值在400 nA到800 nA之间，仍在器件额定范围内。同样地，在175°C测试中，IGSS值低于10 nA，也在器件额定范围内。

分析动态开关行为对评估器件在175°C下的性能至关重要。为此，表1中的器件采用双脉冲配置进行了测试，测试中使用了数据手册推荐的栅源电压和外部栅电阻(RGext)。图5显示了Nexperia 40 mΩ器件的典型开启和关断波形。

结论与未来展望

在高温条件下(特别是150°C或175°C)，Nexperia的1200 V SiC MOSFET表现出RDS(on)稳定性、VGS(th)、IGSS和IDSS的低变化、较低的开关损耗及更高的DC/DC转换器效率(见图2)。这种一致性对于电动汽车牵引逆变器、航空航天电源系统、电网、工业电机驱动器以及其他高温场景中的性能稳定性尤为重要。

未来的工作包括对17、30、60和80 mΩ，1200 V SiC MOSFET的静态特性、动态开关性能及DC/DC转换器效率测试，以展示其在175°C时的效率改进。目标是建立全面的静态与动态性能数据集，为这些器件的进一步优化提供指导，使其更适用于高温应用中对稳定性能、功率效率和可靠性的苛刻需求。