碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术高远张岩第2版_高远张岩_9787111778936

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。

本书第1版出版以来，受到了广大科研工作者和半导体从业人员的广泛关注，并收到了很多对本书内容的讨论和建议，在此对广大读者表示衷心的感谢。距离本书第1版出版已有4年，在此期间，SiC功率器件的技术、应用和市场发生了长足的发展和巨大的变化。为了继续为广大科研工作者和半导体从业人员提供最新的信息，并根据读者反馈对第1版中未涉及和未充分讨论的内容进行补充和扩展，同时对第1版中出现的错误和笔误进行修正，故与西安交通大学张岩副教授共同策划编写第2版。第2版全书共有12章，主要内容如下： 第1章为功率半导体器件基础，首先介绍了功率半导体器件与电力电子技术之间相互促进发展的历程和不同类别Si功率器件的发展过程、特性及不足，接着介绍了SiC半导体材料的物理特性及带来器件特性的优势，随后介绍了SiC产业链各个环节的发展概况，最后分别介绍了SiC二极管、SiC MOSFET和SiC功率模块的技术及产品发展情况。 第2章为SiC二极管的主要特性，介绍了SiC二极管的最大值、静态特性和极限参数。 第3章为SiC MOSFET的主要特性，首先介绍了SiC MOSFET的最大值、静态特性、动态特性和极限参数，随后介绍了品质因数和损耗计算，最后介绍了基于参数测量的SiC MOSFET建模方法。 第4章为SiC器件与Si器件特性对比，包含SiC MOSFET与Si SJMOSFET的对比，SiC MOSFET与Si IGBT的对比，SiC二极管、SiC MOSFET体二极管、Si FRD和Si SJMOSFET体二极管的对比。 第5章为双脉冲测试技术，首先介绍了双脉冲测试的基本原理、参数设定、测试平台、测量仪器和测试设备，其次介绍了电压测量点间寄生参数的影响及应对方法，最后针对不同测试场景给出了动态特性测试结果的评判标准和动态特性测试设备选型要点。 第6章为SiC器件测试、分析和评估技术，首先介绍SiC器件各项参数测试的原理、挑战和注意事项，随后对SiC器件各项量产测试、系统应用测试、可靠性测试和失效分析的测试项目、原理和设备进行了介绍，最后介绍了SiC器件失效分析技术。 第7章为关断电压过冲的影响与应对，详细介绍了关断电压尖峰的影响因素及三种应对措施，包括回路电感控制、使用去耦电容和降低关断速度。 第8章为串扰的影响与应对，详细介绍了串扰的基本原理和关键影响因素，以及两种应对措施，包括米勒钳位和回路电感控制。 第9章为共模电流的影响与应对，详细介绍了信号通路共模电流的基本原理和特性，以及三种应对措施，包括高CMTI驱动芯片、高共模阻抗和共模电流疏导，此外还介绍了差模干扰的测量技术。碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术第2版第2版前言 第10章为共源极电感的影响与应对，详细介绍了共源极电感对器件开关特性和串扰的影响，以及开尔文源极封装的优势，并提出了创新的测试评估方法。 第11章为驱动电路，首先为读者搭建了驱动电路总体架构，详细介绍了驱动电阻取值、驱动电压、驱动级特性的影响和信号隔离传输，其次介绍了各类短路检测方式，并以实测结果详细介绍了DESAT短路保护电路的设计和效果，最后给出了基于三款常用驱动芯片的驱动电路参考设计。 第12章为SiC器件的主要应用，介绍了SiC器件在多个领域的性能优势、技术方案和商用产品，包括主驱逆变器、车载充电机、车载DCDC、充电桩、光伏、储能、UPS、电源和电机驱动等。除对语言和表述的修正外，第2版在第1版的基础上修订的内容如下： 第1章：新增1.1节功率半导体器件与电力电子；1.2节、1.3节、1.4节对应第1版1.1节；1.5节对应第1版1.2.1节，对SiC材料的物理特性的介绍更加详细；新增1.6节SiC产业链概况；1.7节、1.8节对应第1版1.2.2节，对章节结构进行了调整，并根据产业最新进展进行了内容更新和扩充。 第2章：全章均为新增。 第3章：3.1节、3.2节、3.3节、3.5节、3.6节分别对应第1版2.1节、2.2节、2.3节、2.5节、2.7节；新增3.4节极限特性；3.7节对应第1版2.6节，内容改为SiC MOSFET建模方法研究成果的综述。 第4章：对应第1版第4章，器件开关和反向恢复特性参数数值增加以表格形式展示。 第5章：5.1节、5.2节对应第1版3.1节、3.2节；5.3节对应第1版3.3.1~3.3.4节，第1版中对探头的选型和使用的介绍是按测试电压和电流进行分类的，第2版改为按被测量进行分类，同时增加对串扰和驱动电流进行测量的内容；5.4节对应第1版3.3.5节，扩充了对电压测量点引入测量偏差的理论分析，新增了对偏差的补偿方法及验证结果；新增5.5节动态过程测试结果评判；新增5.6节动态特性测试设备。 第6章：全章均为新增。 第7章：对应第1版第5章。 第8章：对应第1版第6章：第1版中实测波形基于焊接在PCB上的SiC MOSFET芯片，第2版中改为基于TO2474封装的SiC MOSFET分立器件的测试结果，更加贴近实际应用，同时增加对电压测量点引入测量偏差进行补偿后的测试结果。 第9章：对应第1版第7章。 第10章：对应第1版第8章；第1版中11.3节和11.4节的实测波形基于焊接在PCB上的SiC MOSFET芯片，第2版中改为TO2474封装的SiC MOSFET分立器件，更加贴近实际应用，同时增加对电压测量点引入测量偏差进行补偿后的测试结果。 第11章：对应第1版第9章；11.6节新增DESAT短路保护的设计方法和实测波形；新增11.7节驱动电路设计参考。 第12章：全章均为新增。业内多位专家参与了本书的素材提供，他们是Soitec公司Hong Lin、刘宁一和晶丰芯驰（上海）半导体科技有限公司费磊、左万胜（1.6节），广东芯聚能半导体有限公司周晓阳、李博强、朱贤龙（1.8节），北京交通大学邵天骢、胡佩（3.7节），西安交通大学李阳（5.4节），Tektronix公司孙川、王芳芳（5.6.1节、5.6.2节），杭州飞仕得科技股份有限公司刘伟、陈磊、江世超（5.6.2节，5.6.3节）北京华峰测控技术股份有限公司刘惠鹏、闫肃（6.1节、6.2.1节、6.2.8节），杭州长川科技股份有限公司钟锋浩、孙海洋、郭剑飞、邬晨欢（6.2.2节、6.2.7节），苏州联讯仪器股份有限公司纪铭（6.2.3节、6.2.4节），杭州中安电子有限公司卜建明、胡世松、吴柳杰（6.2.5节、6.3.2节），深圳市愿力创科技有限公司任春茂、王伟群、谢冬坡（6.2.6节），安徽凌光红外科技有限公司沈金辉、刘迪、林豪彬（6.4.1节~6.4.4节）Thermo Fisher Scientific公司曹潇潇、杨维新、储晓磊、章春阳、蔡琳玲（6.4.1节，6.4.5节~6.4.7节），Tektronix公司黄正峰、陈鑫磊（6.5节）、肖一帆（12.1节）、张珅华（12.2节、12.3节），深圳市盛弘电气股份有限公司方兴、袁野（12.4节），深圳古瑞瓦特新能源有限公司吴良材、于加兴（12.5节），伊顿电气集团郑大为（12.6节），英诺赛科（深圳）半导体有限公司谢文斌、黄佳鑫（12.7节）。在本版编写过程中，西安交通大学楼梓楠、郭睿曦负责了部分插图的绘制，西安交通大学李阳、薛少鹏、舒佳负责了稿件校对，北京华峰测控技术股份有限公司高飞负责完成了部分实验。同时，西安电子科技大学冷晓峰、王涛、何艳静、王舶男、黄亭、史威、王郁恒、谢毅聪、周斌、张宇探、陈俐宏提出了宝贵的意见和建议，在此对以上各领域的专家表示衷心的感谢。SiC器件处于高速发展阶段，本书内容涉及面较宽，由于作者水平有限，书中难免有错误和不当之处，恳请广大读者批评指正。高远

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11.1功率半导体器件与电力电子11.2Si功率二极管31.2.1pn结31.2.2pin二极管41.2.3快恢复二极管51.2.4肖特基二极管51.3Si功率MOSFET71.3.1MOSFET的结构和工作原理71.3.2横向双扩散MOSFET81.3.3垂直双扩散MOSFET91.3.4沟槽栅MOSFET101.3.5屏蔽栅MOSFET101.3.6超结MOSFET111.4Si IGBT111.4.1IGBT的结构和工作原理111.4.2PTIGBT121.4.3NPTIGBT131.4.4FSIGBT131.4.5沟槽栅IGBT141.5SiC材料的物理特性141.5.1晶体结构141.5.2能带和禁带宽度161.5.3击穿电场强度171.5.4杂质掺杂和本征载流子浓度181.5.5载流子迁移率和饱和漂移速度191.5.6热导率191.6SiC产业链概况191.6.1衬底191.6.2外延221.6.3芯片制造241.6.4封装测试261.6.5系统应用261.7SiC二极管和SiC MOSFET的发展概况271.7.1商用SiC二极管的结构271.7.2商用SiC MOSFET的结构291.8SiC功率模块的发展概况311.8.1SiC功率模块的制造流程311.8.2SiC功率模块的技术发展331.8.3SiC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402.1最大值402.1.1反向电流和击穿电压402.1.2热阻抗412.1.3耗散功率和正向导通电流432.1.4正向浪涌电流和i2t442.2静态特性452.2.1导通电压452.2.2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483.1最大值483.1.1漏电流和击穿电压483.1.2耗散功率和漏极电流503.1.3安全工作域513.2静态特性523.2.1传递特性和阈值电压523.2.2输出特性和导通电阻543.2.3体二极管和第三象限导通特性563.3动态特性573.3.1结电容573.3.2开关特性593.3.3栅电荷653.4极限特性663.4.1短路663.4.2雪崩753.5品质因数773.6功率器件损耗计算803.6.1损耗计算方法803.6.2仿真软件843.7SiC MOSFET建模863.7.1SPICE模型基础863.7.2建模方法893.7.3商用SiC MOSFET模型983.7.4SiC 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1094.1SiC MOSFET和Si SJMOSFET1094.1.1传递特性1094.1.2输出特性和导通电阻1104.1.3CV特性1124.1.4开关特性1124.1.5栅电荷1204.2SiC MOSFET和Si IGBT1204.2.1传递特性1204.2.2输出特性1214.2.3CV特性1224.2.4开关特性1234.2.5栅电荷1304.2.6短路特性1304.3SiC二极管和Si二极管1324.3.1导通特性1324.3.2反向恢复特性133延伸阅读141第5章双脉冲测试技术1425.1功率变换器换流模式1435.2双脉冲测试基础1465.2.1双脉冲测试基本原理1465.2.2双脉冲测试参数设定1495.2.3SiC器件的动态过程1525.2.4双脉冲测试平台1535.3测量仪器1585.3.1示波器1585.3.2电压和电流测量1705.3.3测量栅源极电压VGS1765.3.4测量漏源极电压VDS1885.3.5测量漏源极电流IDS1915.3.6测量栅极电流IG1935.3.7时间偏移1975.4电压测量点间寄生参数1995.4.1寄生参数引入测量偏差的基本原理1995.4.2寄生参数引入的测量偏差2015.4.3测量偏差的补偿方法2075.4.4测量偏差的补偿效果2095.5动态过程测试结果评判2145.5.1测量的准确度和重复性2145.5.2动态过程测试的场景及结果的评判标准2155.6动态特性测试设备2185.6.1自建手动测试平台2185.6.2实验室测试设备2195.6.3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2416.1参数测试的原理及挑战2416.1.1测试机2416.1.2阈值电压VGS(th)2446.1.3栅极漏电流IGSS2466.1.4击穿电压V(BR)DSS2476.1.5漏极漏电流IDSS2486.1.6导通电阻RDS(on)2506.1.7跨导GFS2516.1.8体二极管正向压降VF2526.1.9雪崩UIS2546.1.10瞬态热阻DVDS2556.1.11结电容Ciss、Coss、Crss2566.1.12栅极电阻RG2576.1.13开关特性和栅电荷QG2586.2量产测试2586.2.1量产测试概况2586.2.2CP测试2596.2.3WLBI测试2656.2.4KGD测试2706.2.5PLBI测试2756.2.6ACBI测试2776.2.7FT测试2846.2.8测试效率和成本评估2916.3可靠性评估2936.3.1可靠性标准2936.3.2主要可靠性测试项目3006.4失效分析3076.4.1失效分析概述3076.4.2锁相热成像3096.4.3微光显微镜3116.4.4激光诱导阻变3156.4.5扫描电子显微镜3196.4.6双束电子显微镜3216.4.7透射电子显微镜3246.5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3377.1关断电压尖峰的基本原理3377.2应对措施1回路电感控制3397.2.1回路电感与局部电感3397.2.2PCB线路电感3417.2.3分立器件封装电感3437.2.4功率模块封装电感3437.3应对措施2去耦电容3447.3.1电容器基本原理3447.3.2去耦电容基础3477.3.3小信号模型分析3507.4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3638.1串扰的基本原理3638.1.1开通串扰3638.1.2关断串扰3678.2串扰的主要影响因素3698.2.1等效电路分析3698.2.2实验测试分析3718.3应对措施1米勒钳位3778.3.1三极管型米勒钳位3778.3.2有源米勒钳位3798.4应对措施2驱动回路电感控制3838.4.1驱动回路电感对Miller Clamping的影响3838.4.2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3929.1信号通路中的共模电流3929.1.1功率变换器中的共模电流3929.1.2信号通路共模电流的特性3959.2应对措施1高CMTI驱动芯片3979.3应对措施2高共模阻抗4019.3.1减小隔离电容4019.3.2共模电感4029.4应对措施3共模电流疏导4049.4.1Y电容4049.4.2并行供电4049.4.3串联式驱动电路4069.5差模干扰测量4069.5.1常规电压探头测量差模干扰4069.5.2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41510.1共源极电感41510.1.1共源极电感的基本原理41510.1.2开尔文源极封装41810.2对比测试方案42010.2.1传统对比测试方案42010.2.24in4和4in3对比测试方案42110.3对开关过程的影响42210.3.1开通过程42210.3.2关断过程42410.3.3开关能量与dVDS/dt43010.4对串扰的影响43510.4.1开通串扰43610.4.2关断串扰440参考文献443延伸阅读443第11章驱动电路44511.1驱动电路基础44511.1.1驱动电路架构与发展44511.1.2驱动电路各功能模块44711.2驱动电阻取值45411.2.1对驱动电路的影响45411.2.2对功率器件的影响45611.2.3对变换器的影响45911.3驱动电压45911.3.1SiC MOSFET对驱动电压的要求45911.3.2关断负压的提供46011.4驱动级特性的影响46211.4.1输出峰值电流46211.4.2BJT和MOSFET电流Boost46211.4.3米勒斜坡下的驱动能力46611.5信号隔离传输47011.5.1隔离方式47011.5.2安规与绝缘47211.6短路保护47811.6.1短路保护的检测方式47811.6.2DESAT检测48111.7驱动电路设计参考49411.7.18引脚单通道隔离驱动芯片49411.7.216引脚单通道隔离驱动芯片49611.7.314/16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50312.1主驱逆变器50312.2车载充电机50812.3车载DCDC51312.4充电桩51512.5光伏51912.6储能52412.7不间断电源52712.8电源53012.9电机驱动535参考文献536延伸阅读536

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