英飞凌率先提出工作栅极电压区域的建议
过去几年，实际应用条件下的阈值电压漂移（vgs（th））一直是sic的关注重点。
英飞凌率先发现了动态工作引起的长期应力下vgs（th）的漂移现象，并提出了工作栅极电压区域的建议，旨在最大限度地减少使用寿命内的漂移。
经过不断研究和持续优化，现在，全新推出的coolsic™ mosfet m1h在vgs（th）稳定性方面有了显著改善，几乎所有情况下的漂移效应影响，都可以忽略不计。
现象描述
vgs（th）漂移现象通常是通过高温栅极偏置应力测试（dc-htgs）来进行描述的，该测试遵循jedec等标准定义的测试准则进行。
近期的研究结果表明，与相应的静态栅极应力测试（dc-htgs）相比，包括v_（gs（off））《0v在内的正负电源驱动，交流ac栅极应力引起的阈值电压漂移更高，这一发现为sic mosfet器件的可靠性带来了新视角
图1显示了交流（ac）和直流（dc）应力条件下的不同影响。vgs（th） （δvth）的数据变化是使用数据表［1］中的最大条件得出的。
图中可以看到两个不同的斜率，第一个对应的是典型的类似直流dc的漂移行为（“直流拟合”）；第二个更大的斜率对应的是正负电源的交流ac应力效应（“交流拟合”），也称栅极开关不稳定性（gsi）。
图1：连续栅极开关应力期间的漂移：
vgs，（on）=20v;vgs（off）=−10v;
tvj，max=150°c and f=500khz.［1］
我们的结论是：开关周次数超过10⁸的应力条件下，交流漂移是造成应力的主要原因；开关周次数较少时，直流漂移是造成应力的主要原因。
数据显示，开关应力会导致vgs（th）随时间缓慢增加。由于阈值电压vgs（th）增加，可以观察到沟道电阻（rch）的增加。这种现象由等式（1）描述，式中，l是沟道长度，w是沟道宽度，μn是电子迁移率，cox是栅极氧化层电容，vgs（on）是导通状态栅极电压，vgs（th）是器件的阈值电压［1］。
总rds（on）是由各电阻的总和决定的，即沟道电阻（rch）、结型场效应晶体管电阻（rjfet）、漂移区的外延层电阻（repi）和高掺杂sic衬底的电阻（rsub）。等式（2）描述了总rds（on）的整个组成。
因此，vgs（th）的增加会导致沟道电阻略有提高，从而造成rds（on）提高，以及久而久之产生的导通损耗。
栅极开关应力
为了确保和预测我们的coolsic™ mosfet在典型开关工作期间电气参数的长期稳定性，我们开发并采用了一种新的应力测试：栅极开关应力测试（gss）。该测试可以让您直接确定电气参数漂移，这些漂移通常在正负驱动电压模式下运行（正v（gs，on）：导通；负vgs（off）：关断）。该测试可以让开发人员量化上述新的失效机制，因此，是鉴定sic mosfet的必要条件。
gss测试涵盖了所有重要的漂移现象，包括在器件正常工作期间发生的漂移现象。除了缺失的负载电流（它本身不会改变我们所观察到的漂移行为）［3］，我们通过保持与典型应用条件相似的栅极开关特性（例如，电压斜率），尽可能地模拟应用（参见图2）［1］。为了涵盖在实际sic mosfet应用中非常常见的栅极信号过冲和下冲的潜在影响，我们通过在数据表所允许的最大栅极电压和最大静态结温（tvj，op）下施加应力，来实现最坏情况。
图2：频率f=500khz时，
典型的gss栅源应力信号。［1］
在最坏情况下进行测试，可以让客户确信自己能够在整个规格范围内使用该器件，而不会超过漂移极限。因此，这种方法保证了器件的出色可靠性，同时也便于安全裕度的计算。
除了vgs（th），栅极漏电流igss等其他参数也得到了测量，并在被测硬件上保持一致［1］。
最坏情况的寿命终止漂移评估
及其对应用的影响
在开发逆变器的过程中，一大任务就是预测设备的使用寿命。因此，必须提供可靠的模型和信息。在各种工作条件下，进行了大量的测试后，我们就能开发出一个预测性的半经验性模型，该模型描述了阈值电压随任务曲线参数的变化，例如：应力时间（ts）、栅极偏置低电平（vgs（off））、栅极偏置高电平（vgs（on）），开关频率（fsw）和工作温度（t）（δvgs（th） （ts，vgs（off），vgs（on），fsw，t））［3］。
基于该模型，我们建立了一种评估阈值电压漂移的方法，使用最坏情况寿命终止曲线（eoap）来计算相对r（ds（on））漂移。在应用中，以任意频率运行一定时间，我们可以计算出至eoap之前的开关周期总数（ncycle）。然后，使用ncycle读出相对rds（on）漂移。
周期数取决于开关频率和工作时间。典型的硬开关工业应用（例如，太阳能组串逆变器）使用16-50 khz的开关频率。使用谐振拓扑的逆变器的开关速度通常超过100khz。这些应用的目标寿命通常在10-20年，而实际工作时间通常在50%-100%。
以下示例提供了一个样品评估：
目标寿命［年］：20
实际工作时间［%］：50%=》10年
实际工作时间［s］：315，360，000s（10年）
开关频率［khz］：48
周期持续时间［s］：1/开关频率=0.0000208
寿命终止时的周次数=~1.52e+13
导通电压为18v时，预计25°c时的rds（on）的相对变化小于6%，175°c时小于3%，见图3（图3中的绿点）。
图3：vgs（on）=18v、tvj，op=25°c、125°c和175°c ［2］时的相对rds（on）变化
图4示例基于最近推出的easypack™ fs55mr12w1m1h_b11（dc-ac逆变器中的三相逆变桥配置），说明了rds（on）预测变化的影响［4］。这个例子是在损耗分布中，传导损耗（pcon）占比很大的应用。tvj，op从最初的148°c到150°c的最坏情况eoap仅上升2k。结果证明，哪怕是使用了20年后，rds（on）的轻微变化导致的tvj，op增加也可以忽略不计。
图4.最坏情况eol评估：vdc：800v，irms：18a，fout：50hz，fsw：50khz，cos（φ）：1，th=80°c。
图中文字：
power loss：功率损耗
initial point：初始点
worst-case eoap：最坏情况eoap
这种方法意味着，最大漂移应当是在所描述的最坏情况下出现的。借助全新的m1h芯片，客户将能从数据表的规格范围中，选择最适用于其应用的参数。栅极信号中的寄生过冲和下冲不会影响漂移，无需从应用的角度考虑。因此，可以节省时间和精力。
请注意：在控制良好的栅极偏置电平下运行的应用，远低于数据表的最大限制，例如，+18v/-3v，在相同的开关周期数下，rds（on）的变化幅度甚至更小。
结论
我们通过在各种开关条件下进行长期的测试，研究了在实际应用条件下的阈值电压特性。我们开发并采用了一种应力测试程序，来确定在现实的应用开关条件下，最坏情况eoap参数漂移，为我们的客户提供了可靠的预测模型。
除了其他关键的改进外，最近推出的1200v coolsic™ mosfet，即m1h，还显示出了出色的稳定性，并降低了漂移现象的影响。
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经过不断研究和持续优化，现在，全新推出的coolsic™ mosfet m1h在vgs（th）稳定性方面有了显著改善，几乎所有情况下的漂移效应影响，都可以忽略不计。
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vgs（th）漂移现象通常是通过高温栅极偏置应力测试（dc-htgs）来进行描述的，该测试遵循jedec等标准定义的测试准则进行。
近期的研究结果表明，与相应的静态栅极应力测试（dc-htgs）相比，包括v_（gs（off））《0v在内的正负电源驱动，交流ac栅极应力引起的阈值电压漂移更高，这一发现为sic mosfet器件的可靠性带来了新视角
图1显示了交流（ac）和直流（dc）应力条件下的不同影响。vgs（th） （δvth）的数据变化是使用数据表［1］中的最大条件得出的。
图中可以看到两个不同的斜率，第一个对应的是典型的类似直流dc的漂移行为（“直流拟合”）；第二个更大的斜率对应的是正负电源的交流ac应力效应（“交流拟合”），也称栅极开关不稳定性（gsi）。
图1：连续栅极开关应力期间的漂移：
vgs，（on）=20v;vgs（off）=−10v;
tvj，max=150°c and f=500khz.［1］
我们的结论是：开关周次数超过10⁸的应力条件下，交流漂移是造成应力的主要原因；开关周次数较少时，直流漂移是造成应力的主要原因。
数据显示，开关应力会导致vgs（th）随时间缓慢增加。由于阈值电压vgs（th）增加，可以观察到沟道电阻（rch）的增加。这种现象由等式（1）描述，式中，l是沟道长度，w是沟道宽度，μn是电子迁移率，cox是栅极氧化层电容，vgs（on）是导通状态栅极电压，vgs（th）是器件的阈值电压［1］。
总rds（on）是由各电阻的总和决定的，即沟道电阻（rch）、结型场效应晶体管电阻（rjfet）、漂移区的外延层电阻（repi）和高掺杂sic衬底的电阻（rsub）。等式（2）描述了总rds（on）的整个组成。
因此，vgs（th）的增加会导致沟道电阻略有提高，从而造成rds（on）提高，以及久而久之产生的导通损耗。
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为了确保和预测我们的coolsic™ mosfet在典型开关工作期间电气参数的长期稳定性，我们开发并采用了一种新的应力测试：栅极开关应力测试（gss）。该测试可以让您直接确定电气参数漂移，这些漂移通常在正负驱动电压模式下运行（正v（gs，on）：导通；负vgs（off）：关断）。该测试可以让开发人员量化上述新的失效机制，因此，是鉴定sic mosfet的必要条件。
gss测试涵盖了所有重要的漂移现象，包括在器件正常工作期间发生的漂移现象。除了缺失的负载电流（它本身不会改变我们所观察到的漂移行为）［3］，我们通过保持与典型应用条件相似的栅极开关特性（例如，电压斜率），尽可能地模拟应用（参见图2）［1］。为了涵盖在实际sic mosfet应用中非常常见的栅极信号过冲和下冲的潜在影响，我们通过在数据表所允许的最大栅极电压和最大静态结温（tvj，op）下施加应力，来实现最坏情况。
图2：频率f=500khz时，
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图中文字：
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结论
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