汤广福院士研究团队 | 1 200 V SiC MOSFET参数分散性对并联均流的影响分析

1 200 V SiC MOSFET参数分散性对并联均流的影响分析

吴沛飞, 汤广福, 杨霏, 杜泽晨

（先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司), 北京 102211）

摘要：基于本团队自研并金属封装的1 200V 20A SiC MOSFET器件，开展了器件参数分散性对并联组件均流的影响研究。首先引入器件偏离度和变异系数，分析了三线法和两线法测试平台对器件阈值电压和导通电阻测试结果的影响，得出三线法对于本文的测试结果更加可靠且可测参数更多；基于三线法的测试平台，实验测试了器件的基本特征参数，包括阈值电压、导通电阻、跨导等，并分析了30只器件的分散性，结果表明测试器件跨导的一致性较好，而阈值电压和导通电阻的偏离度较大；最后，以阈值电压和导通电阻为研究对象，选择了器件两参数相近与分散性较大的SiC MOSFET进行并联双脉冲实验，在排除了测试回路寄生参数的基础上，通过实验和仿真对比验证了导通电阻及阈值电压对器件并联均流的影响，结果表明阈值电压对于并联系统开关前后瞬态过程的均流影响较大，阈值电压较小的器件将承担更大的过冲电流，影响并联系统的可靠性；相比开关瞬态过程，导通电阻则是对稳态后的均流影响更大，导通电阻较小的器件将承担更大的电流，影响支路器件的可靠性。

引文信息

吴沛飞, 汤广福, 杨霏, 等. 1 200 V SiC MOSFET参数分散性对并联均流的影响分析[J]. 中国电力, 2021, 54(12): 73-80.

WU Peifei, TANG Guangfu, YANG Fei, et al. Influence of the parameter dispersion of domestic 1 200 v sic mosfet on parallel current sharing[J]. Electric Power, 2021, 54(12): 73-80.

引言

在新型电力电子器件领域，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor，SiC MOSFET）器件与传统的硅基器件相比，拥有更高的临界击穿场强、更好的热传导性能、更小的导通电阻、更高的电子饱和速度以及更小的芯片面积^[1-3]，这些优良特性使得基于SiC器件的电力电子装备拥有更小的重量和体积，从而提高整个电力电子系统的功率密度与性能^[4-6]。国外的ROHM、CREE等半导体公司已经拥有成熟的1200 V SiC MOSFET芯片及器件生产技术^[7-8]，并推出了商业化产品；但在该领域国产化产品依旧非常稀缺。目前全球能源互联网研究院等公司已掌握1200 V SiC MOSFET芯片的制造工艺，完成了相关测试，即将进入量产阶段。由于在芯片制备和器件封装过程中工艺的不均匀性，即使是同一型号同一批次的器件，其阈值电压、跨导、导通电阻以及极间电容等参数也会存在一定的差异。本领域的相关研究人员通过批量测试，发现SiC MOSFET的芯片参数具有一定的分散性，并研究了不同参数对并联的影响。文献[9]对30个来自CREE公司的SiC MOSFET器件的导通电阻和阈值电压进行了测试，测试结果表明两者均存在较大的分散性。文献[10]以8个相同型号的SiC MOSFET为样本，在相同条件下测试了样本内器件的转移特性和输出特性，并且利用双脉冲实验测试了参数存在差异的器件的并联电流分配。文献[11]测试了20个SiC MOSFET器件的阈值电压分散性，并给出了统计学规律。本文以30只全球能源互联网研究院研制的1200 V/20 A SiC MOSFET作为样品，经由静态特性测试实验得到特征参数，分析各参数的分散性。最后在排除测试回路寄生参数影响的基础上，对分散性较差的参数进行双脉冲测试实验分析其对均流的影响，从而为器件的筛选工作提供参考。

1  测量仪器对特征参数的影响

由于受到实验室条件的限制，本文在不同的设备上测试多个器件的特征参数，为了验证两种实验仪器对于测试参数的影响是否较大，对目前实验室中使用的两种功率器件特征参数测量仪器（主要包括AGILENT B1505 A和LMSYS TRds 4045-4070）进行了调研，并选取了部分参数进行比较，以论证不同原理的测试仪器对于本文器件特征参数并无显著影响。首先对两种仪器可测试的特征参数进行了调研，如表1所示。
表1  两种仪器可测量项Table 1  The measurable items of the two instruments
由表1可知AGILENT B1505 A的静态参数的测量范围更广，可测量SiC MOSFET的跨导、极间电容等参数。为对比两种测试台在相同测试参数下的误差情况，本文分别使用两种测试平台测量了30只本团队自己研制1200 V/20 A SiC MOSFET的阈值电压V_GS(th)及导通电阻R_ds(on)，并进行对比分析，以论证不同测试原理的两种测试设备对器件测试参数的结果的影响显著性。

1.1  阈值电压的测量对比

AGILENT采用了三线法测量器件的阈值电压V_GS(th)，而LMSYS采用两线法测量器件的V_GS(th)。两种方法的测试电路原理如图1所示，由图可知，两线法实际上是对器件的栅极(G)和漏极(D)进行了短接，减少了一条外接测试电路。

图1  三线法和两线法电路

Fig.1  Three-wire method and two-wire method circuit diagram

三线法的测量过程为施加漏-源电压V_DS=10 V，调整栅-源电压降V_GS从1 V增大至5 V，测量漏极电流I_ds，记I_ds=2.5 mA时的栅极电压V_GS为阈值电压V_GS(th)。

两线法的测量过程为对MOSFET的栅极和漏极进行短接，减少一条外接电路，使V_DS=V_GS。增大V_GS，测量漏极电流I_ds，记I_ds=2.5 mA时的栅极电压V_GS为V_GS(th)。图2为以三线法为电路测试原理的AGILENT检测设备测试结果为基准，计算30只1 200V 20 A SiC MOSFET器件在两种测试设备进行检测获取的V_GS(th)的偏离度。

图2  两种测试台测量V_GS(th)的测试结果

Fig.2  Test results of measuring V_GS(th) using two test benches

由图2可知，两种测试方法下30只器件的阈值电压V_GS(th)差异较大，以AGILENT测试结果为基准，LMSYS测量结果的平均偏离度为1.831%，最大偏离度为13.485%，这说明基于三线法和两线法的不同测试设备对于器件的测试结果有较大的不同，而且也没有达到偏离度幅值小于5%的一致性要求。因此在后续实验中应当采用同一种测试设备测量阈值电压V_GS(th)。1.2  导通电阻测试结果对比

设置环境温度为25℃，门极偏置电压V_GS=20 V，导通电流I_ds=20 A，分别使用AGILENT和LMSYS测试30只器件的R_ds(on)，根据测试结果按照阈值电压的对比分析过程，得到偏离度如图3所示。

图3  导通电阻测试结果对比

Fig.3  Comparison of R_ds(on) test results

可见两种方法测量R_ds(on)的偏差较小，以AGILENT测试结果为基准，LMSYS测试结果的偏离度在−4.222%到2.037%之间，结果相似度范围处于95%的置信区间，因此可以认为两种测试台对R_ds(on)的测试结果是基本一致的，说明两线法和三线法的测试电路对于导通电阻的影响并不显著。通过阈值电压V_GS(th)和导通电阻R_ds(on)的偏离度分布范围可知，三线法和两线法的测试电路平台对于V_GS(th)的测试结果差异较大，而R_ds(on)的测试结果差异较小，两种测试设备对于器件的特征参数存在影响，因此针对大量的SiC MOSFET器件，不建议同时采用两种设备分开测试筛选，同时由于LMSYS无法测量器件的跨导及极间电容，因此本文在之后的测试中均采用AGILENT B1505 A测试台测量器件的静态特性。

2  特征参数的分散性分析

统计学中常用极差或者标准差^[12]来表征一组数据中各数据点间的差异度，但极差只能比较某一组数据的最大最小值，无法准确地反映出一组数据整体的分散性大小。同样当样本间的度量单位或平均数不同时，将不能使用标准差比较不同参数间的差异度。因此，本文以公式(1)所示的器件参数偏离度E_i对单个器件的偏差进行描述，其值的正负代表了单个器件参数较整体平均的高低。式中：x_i为第i个器件的特征参数；为30枚器件特征参数的均值。在统计分析中，可以采用变异系数δ来比较多个样本的变异程度。变异系数δ表达式为式中：σ为样本的标准差；μ为样本均值；n为样本器件数量，本文中n=30。本文中选取了30个全球能源互联网研究院有限公司研制的1200 V/20 A SiC MOSFET金属封装器件作为研究对象，使用AGILENT B1505 A功率分析仪测量了每个器件的导通电阻R_ds(on)、跨导g_fs和阈值电压V_GS(th)，并对器件特征参数间的离散变异程度和单个器件相对于整体的偏离度进行了统计分析，并得到各参数的区间直方分布图。

2.1  导通电阻的分散性分析

作为表征器件漏极和源极间的阻值，导通电阻对于器件导通损耗、耐流特性、寿命等各方面有及其重要的影响，是SiC MOSFET电气特性中及其重要的参数，本文使用AGILENT B1505 A对30只器件进行了导通电阻的测试，其结果分布如图4所示。

图4  R_ds(on)的分布图Fig.4  Distribution of R_ds(on)
根据图4中30只器件在I_d=20 A时R_ds(on)的分布，经分析后可知R_ds(on)的均值为0.1709 Ω，标准差为0.00764，85%以上的器件的导通电阻处于0.16 ~0.18 Ω范围内。其中3号器件的R_ds(on)最大，其值为0.193 Ω，偏离度为12.678%，22号器件R_ds(on)最小，其值为0.160 Ω，偏离度为–6.425%。因此30只器件中R_ds(on)最大最小值差异约1.204倍，R_ds(on)偏离度的极值为19.103%，变异系数为4.471。

2.2  跨导的分散性分析

跨导g_fs是表征SiC MOSFET器件漏极电流变化量与栅-源电压变化量的比值，MOSFET的跨导值越大，就说明可以用更小的栅源电压控制漏极电流发生更大的变化，代表着器件的小信号放大及控制能力，是表征栅-源电压对于输出漏极电流控制作用强弱的一个重要参数。因此本文对30只1200 V 20 A SiC MOSFET金属封装的器件的跨导进行了三线法测试，得到如图5所示的分布直方图。

图5  跨导g_fs分布图

Fig.5  Distribution of g_fs

根据图5中器件的g_fs分布图分析可知30只器件的跨导g_fs处于6.96~7.75 S的范围，总体上呈高斯分布特性，均值为7.32253 S，标准差为0.18386。所有器件中16号器件的g_fs最大，其值为7.7226 S，偏离度为5.46355%，29号器件的g_fs最小，其值为6.9413 S，偏离度为−5.20626%。另外，可以看出30只 MOSFET中g_fs最大相差约1.113倍。

2.3  阈值电压的分散性分析

对于耗尽型的SiC MOSFET，阈值电压实际上就是截止电压，其不同于沟道夹断电压，阈值电压是控制沟道有无的栅极电压，是表征器件优劣的一个重要特征参数。对30只SiC MOSFET器件进行测试，获得如图6所示的阈值电压直方图。

图6  V_GS(th)的分布图

Fig.6  Distribution of V_GS(th)

由图6可知，30只器件阈值电压V_GS(th)分布于2.65~3.15 V范围内，总体均值为2.823 V，标准差为0.142。在所测试的器件中，21号器件V_GS(th)最小，测试结果为2.657 V，对应的偏离度为–5.875%；而V_GS(th)最大的是10号器件，其阈值电压为3.146 V，对应的偏离度为11.448%。30只SiC MOSFET中V_GS(th)最大相差约为1.184倍。

基于以上3个特征参数的测试结果分布分析得出30只SiC MOSFET器件的导通电阻R_ds(on)、跨导g_fs、阈值电压V_GS(th)对应的最大和最小偏离度如表2所示。

表2  特征参数偏离度范围

Table 2  Deviation range of characteristic parameters

从表2中可以发现，跨导g_fs的偏离度较小，基本接近5%的置信区间，而导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)的分散性较差，偏离度区间范围分别达到了19%和17%左右，在器件并联使用时，相差较大的器件最有可能对并联系统产生不利影响，并直接导致并联系统中某个器件因承受过高负载而损坏，因此将在下面的实验中针对特征参数偏离度较大的导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)进行并联均流实验，研究其对器件并联使用的影响。

3  参数分散性对并联均流影响分析

由文献[8]可知SiC MOSFET的导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)会在不同程度上影响芯片导通电流的动态特性。为探究团队自研并进行金属封装后的1200 V 20 A的SiC MOSFET器件特征参数差异性对其并联均流特性的影响，本文在经过上面测试的30只实验样本中选择对应特征参数差异最大，同时保证其他特征参数差异较小的2只器件进行并联均流实验，需要特别说明的是：本文的研究目前尚未考虑在并联测试时流过器件的电流会导致SiC MOSFET器件内部的结温升高，进而引起导通电阻、跨导、阈值电压等参数发生漂移，对于温度引起参数漂移对并联均流的影响在后续的工作中将会进一步展开研究。3.1  并联支路寄生参数对并联均流的影响校验由于本文主要研究器件特征参数对SiC MOSFET并联均流的影响，需要两条并联支路的寄生参数保持高度一致，以免对均流结果造成影响。为了验证支路的寄生参数的一致性，本文选择使用1号和17号器件组成并联系统后进行双脉冲实验，选取1号和17号器件的原因是，通过上文的测试结果发现两只器件的特征参数非常接近，其导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)、跨导g_fs、极间电容C_gs、C_gd、C_ds的偏差均在2%以内，在保证这些特征参数一致的前提下，可以分析支路的寄生参数对并联系统均流性能的影响程度。

实验时设置环境温度为25℃，施加漏-源电压V_DS=960 V，测试得到两只器件的双脉冲电流波形如图7所示，可以看出器件特性接近的脉冲测试波形整体上几乎没有什么差异，因此可认为两并联支路的寄生参数是相同的，这保证了下文研究器件特征参数差异性并联均流影响实验时，完全可以排除并联支路的寄生参数额外引入的误差。

图7  1号和17号并联后的电流波形

Fig. 7  Current waveforms after chips 1 and 17 are connected in parallel

3.2  导通电阻对并联均流的影响分析

理论上，支路上器件的导通电阻的差异性对并联系统中的稳态均流的影响是较大的。因此，通过对比30只已经过上述特征参数测试的SiC MOSFET器件，选取导通电阻R_ds(on)差异性较大（相差19%），并且其他特征参数接近（小于2%）的3号和22号器件搭建并联系统，进行双脉冲并联均流测试，得到如图8所示的对比波形图。

图8  3号和22号并联后的电流波形

Fig.8  Current waveforms after chips 3 and 22 are connected in parallel

由于本文已经排除并联支路的寄生参数的影响，因此不计测试回路的寄生电阻，两只器件并联时的分流公式为

由图8可知3号和22号器件在并联系统稳态阶段时电流差异较大，当并联系统电流为40 A时，电流相差超过了3.1 A，并联系统中R_ds(on)较小的22号器件将承受更大的电流，呈反向关系，如果并联系统中电流继续增加，将会导致该器件因电流过大而烧坏，最终直接导致并联系统崩溃。考虑到R_ds(on)具有正温度效应，因此电流过大时温度升高，R_ds(on)也随之增大，对电流有抑制作用，因此这种自动调节补偿能力也能在一定程度上抑制稳态过程中的电流不均现象。但是从图中开通后的稳态阶段的曲线来看，并联的两只器件的电流差值几乎是等比例增大，并没有出现增大后的逐渐减小过程，因此在该双脉冲测试过程中温度的影响并没有导致器件趋向于均流，而导通电阻对器件不均流的影响是更加显著的。额外地，图中每只器件的测试曲线表明：对于自研的SiC MOSFET而言，导通电阻R_ds(on)的差异性对器件开通关断过程中的电流产生的影响很小，即两只并联运行的器件，其di/dt相差并不显著。图中3号器件的曲线显示，在开关瞬间的电流与22号出现相差接近1.02 A的震荡，这种现象也将会影响到并联系统在开关瞬间的均流性能。对比开关瞬态和稳态过程中电流的差额，导通电阻对于均流的影响主要存在于并联系统的稳态过程，首先影响器件的支路分流。

3.3  阈值电压对并联均流的影响分析

在器件导通和关断阶段，器件的漏极电流I_ds的变化与器件的栅-源极电压V_GS和转移特性有直接关系，即

图9的测试曲线表明，在由10号和16号器件组成的并联系统中，在稳态阶段，阈值电压V_GS(th)较大的10号器件承受了更小的电流，这也与式（3）给出的解释是一致的。当并联系统总电流为40 A，通过两只器件的电流相差达到0.86 A，类似于导通电阻对于并联均流的影响，也呈反向关系，但该关系的影响远远小于导通电阻对于并联均流的影响，其影响程度只有导通电阻影响的25%左右。额外地，从图中开关瞬间的曲线可以看出，阈值电压V_GS(th)对开关过程影响也很小，两只器件的di/dt相差极小，但16号器件在开通和关断前产生较大的电流过冲，并且在开通和关断后电流震荡更为明显，与10号器件在开关前后的瞬间电流相差约为2.38 A，这种现象会严重影响到并联系统在开关前后的瞬态均流性能，如果并联系统中的开关频次较高，16号器件将增加系统的功耗和发热性能，影响系统整体的可靠性。通过对比开关前后瞬态过程及稳态过程中的电流差值可以得出，阈值电压对于并联系统均流性能的影响主要存在于开关前后瞬间的电流过冲及振荡过程，进而影响的是整个并联电路的可靠性。造成过冲及振荡的原因主要是两只并联器件的阈值电压不相等，在同时增加栅压进行开通时，阈值电压较小的器件最先开通，并且承担主要电流，当栅压达到另一个器件的阈值电压时，该器件突然导通并分流，使得原先阈值电压较小的器件流过的电流突然减小，出现振荡跌落；同样，在栅压减小进行关断时，阈值电压较大的器件首先关断，导致电流突然全部通过阈值电压较小的器件，因此该器件中的电流出现关断前的过冲。

图9  10号和16号并联后的电流波形

Fig.9  Current waveforms after chips 10 and 16 are connected in parallel

4  结论

本文引入偏离度的概念，分别采用三线法和两线法测试电路的AGILENT B1505 A和LMSYS测试平台，对自研并金属封装的1200 V 20 A的SiC MOSFET器件进行了测试，通过阈值电压和导通电阻测试结果，得出三线法的AGILENT B1505 A测试平台更适合SiC MOSFET器件分散性的筛选测试。通过计算实验测试结果的变异系数，分析了器件参数分散性的统计规律，当显著性水平为0.05时，跨导g_fs在两种检验方法下均服从正态分布，并且偏离度较小，而导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)均不服从正态分布，且阈值电压V_GS(th)、导通电阻R_ds(on)的偏离度较大，相差极值达到10%以上。由此也进一步表明本次筛选测试的SiC MOSFET器件的分散性较大，金属封装的自研SiC MOSFET器件并不满足一致性要求，本次测试结果为团队后续在器件工艺制备及器件封装的均匀性优化方面提供参考和指导。本文在不考虑测试过程中由于电流导致的温度对器件参数影响的前提下，排除了并联系统中支路寄生参数对均流实验的影响，通过计算和双脉冲实验研究了SiC MOSFET器件特征参数分散性较差的导通电阻R_ds(on)、阈值电压V_GS(th)对并联系统中均流程度的影响，得到导通电阻R_ds(on)和阈值电压V_GS(th)对并联系统开关过程中的di/dt的影响都不显著，主要对开关前后的瞬态过程和开通后的稳态阶段均有不同程度的影响，但是影响的过程并不相同。导通电阻R_ds(on)对并联器件稳态运行时的分流情况影响较大，而且并联器件中R_ds(on)较小的将承受更大的电流，过载时更容易烧坏器件；阈值电压V_GS(th)对并联器件稳态运行时的分流影响较小，主要影响阶段是开关前后的瞬态电流，容易造成开关前后阈值电压较小的器件出现电流过冲和振荡而失效。总体上，对比本文导通电阻和阈值电压对于并联系统开关全过程的影响程度，可以得出导通电阻是影响并联均流的主要特征参数，在本批次研制的1200 V 20 A的SiC MOSFET器件用于并联系统进行单器件筛选时，导通电阻是主要需要考虑的影响参数。致谢：本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在先进输电技术国家重点实验室功率半导体所实验室和中国科学院电工技术研究所工作人员的大力支持下完成的，在此向他(她)们表示衷心的感谢。（责任编辑　吴恒天）

作者介绍

吴沛飞 (1989—)，男，博士，从事功率半导体研发、测试、碳化硅电力电子器件在高压电力系统中的应用，E-mail：[e-mail];

★

汤广福 (1966—)，男，中国工程院院士，教授级高级工程师，博士生导师。现任全球能源互联网研究院有限公司院长，先进输电技术国家重点实验室主任，《中国电力》期刊主编。长期从事电力系统电力电子技术研究。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤

声明

根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。