SiC MOSFET功率晶体管的电学特性研究

摘要

以第三代宽禁带半导体碳化硅（SiC）为衬底所制作成的MOSFET因其高击穿电压、高工作频率、低工作损耗和抗高温和强辐照的优良性能，正在逐步取代成熟的Si IGBT产品，逐渐成为新能源汽车工业、光伏逆变和机车牵引等高压大功率设备中的首选开关变换器。近些年来，国际上SiC MOSFET的商业产品逐渐增多，型号覆盖从额定电压为600V到1700V的中高压领域。为了更充分的针对SiC MOSFET电学特点进行其动态特性的研究，本文设计并搭建了两种动态实验平台，对相同电压电流等级的平面型和槽栅型1200VSiC MOSFET进行了动态开关特性和鲁棒性测试分析对比。同时，本文利用二维数值仿真工具Synopsys Sentaurus，对测试结果进行了机理分析和阐述。本文详细研究了1200V SiC MOSFET的动态开关特性和鲁棒性，对SiC MOSFET的设计和应用具有指导意义。 本论文首先设计并搭建了针对1200V SiC MOSFET的双脉冲开关实验平台，在不同负载电压电流、栅电阻和栅关断电压下对两款SiC MOSFET进行了开关损耗对比。测试结果表明，当栅电阻越大，器件开关损耗越大且工作频率越低；当关断电压越低，器件的关断损耗越小。在不同实验条件下，所测槽栅型器件的开启损耗与平面型器件接近，而关断损耗大于平面型器件。本文对三种集总寄生电感和上管寄生电容对SiC MOSFET开关特性的影响进行了仿真分析。共源极寄生电感Ls极大地增加了开关损耗，主回路寄生电感Ld增加了漏源电压电流的振荡，而栅回路寄生电感Lg对开关损耗和电压电流的过冲振荡的影响最小，上桥臂寄生电容Cj对开关瞬态的电流过冲影响最大。 本论文随后设计并搭建了针对1200V SiC MOSFET的动态雪崩实验平台，研究了不同负载对SiC MOSFET单次UIS雪崩耐量测试的影响。实验结果发现，在3.6mH负载下平面型器件雪崩能量为0.91J，而槽栅型器件的雪崩能量为0.32J，随着负载的减小，器件雪崩能量随之减小。 本论文最后通过仿真建模和失效分析对1200V SiC MOSFET的失效原因进行了机理分析：平面型器件的失效原因是由于晶格温度剧增导致的源极金属熔解最终造成的三端短路，槽栅型器件的失效原因是槽栅底部及其拐角处的栅氧化层预先失效。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 SiC材料特性简介

1.2SiC MOSFET的发展及现状

1.3SiC MOSFET的应用及UIS应力问题

1.4 本文主要工作

第二章功率SiC MOSFET电学特性基础

2.1功率SiC MOSFET静态电学特性

2)阈值电压与转移特性

3)导通电阻与输出特性

4)体二极管特性

2.2.1 寄生电容

2.2.2 双脉冲电路及开关特性

2.3功率SiC MOSFET动态雪崩特性

2.4 本章小结

第三章功率SiC MOSFET动态开关特性分析

3.1 双脉冲开关实验平台的设计与搭建

3.1.1 实验平台的设计

3.1.2 实验对象及电学参数

3.2.1功率SiC MOSFET双脉冲开关测试

3.2.2 负载电压对开关特性的影响

3.2.3 负载电流对开关特性的影响

3.2.4 栅极电阻对开关特性的影响

3.2.5 栅源关断电压对开关特性的影响

3.3 寄生参数对动态开关影响的研究

3.3.1 寄生电感对开关特性的影响

3.3.2 上桥臂寄生电容对开关特性的影响

3.4 本章小结

第四章功率SiC MOSFET动态雪崩特性研究

4.1 非钳位感性负载开关实验平台的设计与搭建

4.1.1 实验平台的设计

4.1.2 实验测试对象

4.2功率SiC MOSFET的动态雪崩失效测试

4.2.1平面型SiC MOSFET动态雪崩测试

4.2.2槽栅型SiC MOSFET动态雪崩测试

4.2.3功率SiC MOSFET动态雪崩特性比较

4.3功率SiC MOSFET动态雪崩失效机理分析

4.3.1 TCAD模型的建立与拟合

4.3.2平面型SiC MOSFET动态雪崩失效分析

4.3.3槽栅型SiC MOSFET动态雪崩失效分析

4.4 本章小结

第五章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果