碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术 第2版

本书综合了近几年工业界的最新进展和学术界的最新研究成果，详细介绍并讨论了碳化硅功率器件的基本原理、发展现状与趋势、特性及测试方法、应用技术和各应用领域的方案。本书共分为12章，内容涵盖功率半导体器件基础，SiC二极管的主要特性,SiC MOSFET的主要特性，SiC器件与Si器件特性对比，双脉冲测试技术，SiC器件的测试、分析和评估技术，高di/dt影响与应对——关断电压过冲，高dv/dt的影响与应对——串扰，高dv/dt影响与应对——共模电流，共源极电感影响与应对，驱动电路，SiC器件的主要应用。 本书面向电力电子、新能源技术、功率半导体芯片和封装等领域的广大工程技术人员和科研工作者，可满足从事功率半导体器件设计、封装、测试、应用、生产的专业人士的知识和技术要求。

高远 功率半导体测试与应用技术专家。高 远，2008年保送进 中国电工技术学会电力电子专业委员会委员，中国电工技术学会科技传播与出版专业委员会委员，第三代半导体产业技术创新战略联盟产业导师，泰克科技电源功率器件领域外部专家。 张岩 西安交通大学副教授，博导 主持国家自然科学基金2项、国家重点研发计划子课题2项、省部级项目2项，博士后基金项目2项及校企合作项目20余 项。以第一作者/通信作者发表SCI/EI论文100余篇。

电力电子新技术系列图书序言 第2版前言 第1版前言 第1章功率半导体器件基础1 1.1功率半导体器件与电力电子1 1.2Si功率二极管3 1.2.1pn结3 1.2.2pin二极管4 1.2.3快恢复二极管5 1.2.4肖特基二极管5 1.3Si功率MOSFET7 1.3.1MOSFET的结构和工作原理7 1.3.2横向双扩散MOSFET8 1.3.3垂直双扩散MOSFET9 1.3.4沟槽栅MOSFET10 1.3.5屏蔽栅MOSFET10 1.3.6超结MOSFET11 1.4Si IGBT11 1.4.1IGBT的结构和工作原理11 1.4.2PT-IGBT12 1.4.3NPT-IGBT13 1.4.4FS-IGBT13 1.4.5沟槽栅IGBT14 1.5SiC材料的物理特性14 1.5.1晶体结构14 1.5.2能带和禁带宽度16 1.5.3击穿电场强度17 1.5.4杂质掺杂和本征载流子浓度18 1.5.5载流子迁移率和饱和漂移速度19 1.5.6热导率19 1.6SiC产业链概况19 1.6.1衬底19 1.6.2外延22 1.6.3芯片制造24 1.6.4封装测试26 1.6.5系统应用26 1.7SiC二极管和SiC MOSFET的发展概况27 1.7.1商用SiC二极管的结构27 1.7.2商用SiC MOSFET的结构29 1.8SiC功率模块的发展概况31 1.8.1SiC功率模块的制造流程31 1.8.2SiC功率模块的技术发展33 1.8.3SiC功率模块的方案35 参考文献38 延伸阅读38 第2章SiC二极管的主要特性40 2.1最大值40 2.1.1反向电流和击穿电压40 2.1.2热阻抗41 2.1.3耗散功率和正向导通电流43 2.1.4正向浪涌电流和i2t44 2.2静态特性45 2.2.1导通电压45 2.2.2结电容、结电荷和结电容能量46 参考文献47 第3章SiC MOSFET的主要特性48 3.1最大值48 3.1.1漏电流和击穿电压48 3.1.2耗散功率和漏极电流50 3.1.3安全工作域51 3.2静态特性52 3.2.1传递特性和阈值电压52 3.2.2输出特性和导通电阻54 3.2.3体二极管和第三象限导通特性56 3.3动态特性57 3.3.1结电容57 3.3.2开关特性59 3.3.3栅电荷65 3.4极限特性66 3.4.1短路66 3.4.2雪崩75 3.5品质因数77 3.6功率器件损耗计算80 3.6.1损耗计算方法80 3.6.2仿真软件84 3.7SiC MOSFET建模86 3.7.1SPICE模型基础86 3.7.2建模方法89 3.7.3商用SiC MOSFET模型98 3.7.4SiC MOSFET建模的挑战102 参考文献103 延伸阅读104 第4章SiC器件与Si器件特性对比109 4.1SiC MOSFET和Si SJ-MOSFET109 4.1.1传递特性109 4.1.2输出特性和导通电阻110 4.1.3C-V特性112 4.1.4开关特性112 4.1.5栅电荷120 4.2SiC MOSFET和Si IGBT120 4.2.1传递特性120 4.2.2输出特性121 4.2.3C-V特性122 4.2.4开关特性123 4.2.5栅电荷130 4.2.6短路特性130 4.3SiC二极管和Si二极管132 4.3.1导通特性132 4.3.2反向恢复特性133 延伸阅读141 第5章双脉冲测试技术142 5.1功率变换器换流模式143 5.2双脉冲测试基础146 5.2.1双脉冲测试基本原理146 5.2.2双脉冲测试参数设定149 5.2.3SiC器件的动态过程152 5.2.4双脉冲测试平台153 5.3测量仪器158 5.3.1示波器158 5.3.2电压和电流测量170 5.3.3测量栅-源极电压VGS176 5.3.4测量漏-源极电压VDS188 5.3.5测量漏-源极电流IDS191 5.3.6测量栅极电流IG193 5.3.7时间偏移197 5.4电压测量点间寄生参数199 5.4.1寄生参数引入测量偏差的基本原理199 5.4.2寄生参数引入的测量偏差201 5.4.3测量偏差的补偿方法207 5.4.4测量偏差的补偿效果209 5.5动态过程测试结果评判214 5.5.1测量的准确度和重复性214 5.5.2动态过程测试的场景及结果的评判标准215 5.6动态特性测试设备218 5.6.1自建手动测试平台218 5.6.2实验室测试设备219 5.6.3生产线测试设备233 参考文献236 延伸阅读238 第6章SiC器件的测试、分析和评估技术241 6.1参数测试的原理及挑战241 6.1.1测试机241 6.1.2阈值电压VGS(th)244 6.1.3栅极漏电流IGSS246 6.1.4击穿电压V(BR)DSS247 6.1.5漏极漏电流IDSS248 6.1.6导通电阻RDS(on)250 6.1.7跨导GFS251 6.1.8体二极管正向压降VF252 6.1.9雪崩UIS254 6.1.10瞬态热阻DVDS255 6.1.11结电容Ciss、Coss、Crss256 6.1.12栅极电阻RG257 6.1.13开关特性和栅电荷QG258 6.2量产测试258 6.2.1量产测试概况258 6.2.2CP测试259 6.2.3WLBI测试265 6.2.4KGD测试270 6.2.5PLBI测试275 6.2.6ACBI测试277 6.2.7FT测试284 6.2.8测试效率和成本评估291 6.3可靠性评估293 6.3.1可靠性标准293 6.3.2主要可靠性测试项目300 6.4失效分析307 6.4.1失效分析概述307 6.4.2锁相热成像309 6.4.3微光显微镜311 6.4.4激光诱导阻变315 6.4.5扫描电子显微镜319 6.4.6双束电子显微镜321 6.4.7透射电子显微镜324 6.5系统应用测试328 参考文献335 第7章高di/dt影响与应对——关断电压过冲337 7.1关断电压尖峰的基本原理337 7.2应对措施1——回路电感控制339 7.2.1回路电感与局部电感339 7.2.2PCB线路电感341 7.2.3分立器件封装电感343 7.2.4功率模块封装电感343 7.3应对措施2——去耦电容344 7.3.1电容器基本原理344 7.3.2去耦电容基础347 7.3.3小信号模型分析350 7.4应对措施3——降低关断速度358 参考文献361 延伸阅读361 第8章高dv/dt影响与应对——串扰363 8.1串扰的基本原理363 8.1.1开通串扰363 8.1.2关断串扰367 8.2串扰的主要影响因素369 8.2.1等效电路分析369 8.2.2实验测试分析371 8.3应对措施1——米勒钳位377 8.3.1三极管型米勒钳位377 8.3.2有源米勒钳位379 8.4应对措施2——驱动回路电感控制383 8.4.1驱动回路电感对Miller Clamping的影响383 8.4.2封装集成383 参考文献389 延伸阅读390 第9章高dv/dt影响与应对——共模电流392 9.1信号通路中的共模电流392 9.1.1功率变换器中的共模电流392 9.1.2信号通路共模电流的特性395 9.2应对措施1——高CMTI驱动芯片397 9.3应对措施2——高共模阻抗401 9.3.1减小隔离电容401 9.3.2共模电感402 9.4应对措施3——共模电流疏导404 9.4.1Y电容404 9.4.2并行供电404 9.4.3串联式驱动电路406 9.5差模干扰测量406 9.5.1常规电压探头测量差模干扰406 9.5.2电源轨探头测量差模干扰409 参考文献413 延伸阅读414 第10章共源极电感影响与应对415 10.1共源极电感415 10.1.1共源极电感的基本原理415 10.1.2开尔文源极封装418 10.2对比测试方案420 10.2.1传统对比测试方案420 10.2.24in4和4in3对比测试方案421 10.3对开关过程的影响422 10.3.1开通过程422 10.3.2关断过程424 10.3.3开关能量与dVDS/dt430 10.4对串扰的影响435 10.4.1开通串扰436 10.4.2关断串扰440 参考文献443 延伸阅读443 第11章驱动电路445 11.1驱动电路基础445 11.1.1驱动电路架构与发展445 11.1.2驱动电路各功能模块447 11.2驱动电阻取值454 11.2.1对驱动电路的影响454 11.2.2对功率器件的影响456 11.2.3对变换器的影响459 11.3驱动电压459 11.3.1SiC MOSFET对驱动电压的要求459 11.3.2关断负压的提供460 11.4驱动级特性的影响462 11.4.1输出峰值电流462 11.4.2BJT和MOSFET电流Boost462 11.4.3米勒斜坡下的驱动能力466 11.5信号隔离传输470 11.5.1隔离方式470 11.5.2安规与绝缘472 11.6短路保护478 11.6.1短路保护的检测方式478 11.6.2DESAT检测481 11.7驱动电路设计参考494 11.7.18引脚单通道隔离驱动芯片494 11.7.216引脚单通道隔离驱动芯片496 11.7.314/16引脚双通道隔离驱动芯片496 参考文献498 延伸阅读500 第12章SiC器件的主要应用503 12.1主驱逆变器503 12.2车载充电机508 12.3车载DC-DC513 12.4充电桩515 12.5光伏519 12.6储能524 12.7不间断电源527 12.8电源530 12.9电机驱动535 参考文献536 延伸阅读536