Body diode reliability investigation of SiC power MOSFETs

A special feature of vertical power MOSFETs, in general, is the inbuilt body diode which could eliminate the need of having to use additional anti-parallel diodes for current freewheeling in industrial inverter applications: this, clearly, subject to their demonstration of an acceptable level of reliability. Recent improvements in Silicon Carbide (SiC) power MOSFET device manufacturing technology has resulted in their wider commercial availability with different voltage and current ratings and from various manufacturers. Hence, it is essential to perform characterisation of its intrinsic body diode. This paper presents the reliability assessment of body diodes of latest generation discrete SiC power MOSFETs within a 3-phase 2-level DC-to-AC inverter representing realistic operating conditions for power electronic applications

Wide Band Gap Power Semiconductor Devices and their Applications

DC power supplies are being widely used in almost every modern day appliance. Basic DC power supply should only consist of AC/DC rectification unit with bulk capacitor. But irregular current drawn by rectifier pollutes the power system. Standards related to power quality puts a limit on harmonics that are being injected by a device into power system. To comply with standards Power factor correction (PFC) circuits are employed with rectification unit. Addition of an extra unit, puts a limit on overall efficiency of power supply. Advent of Wide Band Gap (WBG) power semiconductor devices have provided us with the opportunity to improve the efficiency of existing electronic circuits with relatively simple control schemes. According to recent research, it has been forecasted that GaN based devices are ideal choice for medium voltage and high speed applications. However, SiC based devices are estimated to take over high voltage applications. Conventional PFC circuit based on bridged CCM average current controlled Boost converter was chosen for this study. Simulation was made to compare the performance of GaN, SiC and Si based switches. Results from simulation revealed that 38% reduction in switching losses can be achieved by using GaN HEMT instead of Si MOSFET. Practical evaluation was performed on Transphom Totem Pole PFC and All in One Power supply. Both of these devices are based on GaN HEMTs. Totem pole PFC is the major breakthrough achieved by GaN HEMT in the field of PFC circuit. Very low reverse recovery of switches made it possible to implement this circuit with very high efficiency for high power applications. 94% efficiency was observed during evaluation of DC power supply, which validates the claim of superior performance of WBG devices

Design and Evaluation of High Efficiency Power Converters Using Wide-Bandgap Devices for PV Systems

The shortage of fossil resources and the need for power generation options that produce little or no environmental pollution drives and motivates the research on renewable energy resources. Power electronics play an important role in maximizing the utilization of energy generation from renewable energy resources. One major renewable energy source is photovoltaics (PV), which comprises half of all recently installed renewable power generation in the world. For a grid-connected system, two power stages are needed to utilize the power generated from the PV source. In the first stage, a DCDC converter is used to extract the maximum power from the PV panel and to boost the low output voltage generated to satisfy the inverter side requirements. In the second stage, a DC-AC inverter is used to convert and deliver power loads for grid-tied applications. In general, PV panels have low efficiency so high-performance power converters are required to ensure highly efficient PV systems. The development of wide-bandgap (WBG) power switching devices, especially in the range of 650 V and 1200 V blocking class voltage, opens up the possibility of achieving a reliable and highly efficient grid-tied PV system. This work will study the benefits of utilizing WBG semiconductor switching devices in low power residential scale PV systems in terms of efficiency, power density, and thermal analysis. The first part of this dissertation will examine the design of a high gain DC-DC converter. Also, a performance comparison will be conducted between the SiC and Si MOSFET switching devices at 650 V blocking voltage regarding switching waveform behavior, switching and conduction losses, and high switching frequency operation. A major challenge in designing a transformerless inverter is the circulating of common mode leakage current in the absence of galvanic isolation. The value of the leakage current must be less than 300mA, per the DIN VDE 0126-1-1 standard. The second part of this work investigates a proposed high-efficiency transformerless inverter with low leakage current. Subsequently, the benefits of using SiC MOSFET are evaluated and compared to Si IGBT at 1200 V blocking voltage in terms of efficiency improvement, filter size reduction, and increasing power rating. Moreover, a comprehensive thermal model design is presented using COMSOL software to compare the heat sink requirements of both of the selected switching devices, SiC MOSFET and Si IGBT. The benchmarking of switching devices shows that SiC MOSFET has superior switching and conduction characteristics that lead to small power losses. Also, increasing switching frequency has a small effect on switching losses with SiC MOSFET due to its excellent switching characteristics. Therefore, system performance is found to be enhanced with SiC MOSFET compared to that of Si MOSFET and Si IGBET under wide output loads and switching frequency situations. Due to the high penetration of PV inverters, it is necessary to provide advanced functions, such as reactive power generation to enable connectivity to the utility grid. Therefore, this research proposes a modified modulation method to support the generation of reactive power. Additionally, a modified topology is proposed to eliminate leakage current

Novel TCAD-based Signal-Flow Graph Approaches for the Stability Analysis of Power Semiconductor Devices

Technological innovation in power electronics is desired to realize the social demand for the spread of renewable energy and the promotion of electrification of automobiles to achieve carbon neutrality. Power devices are key components in power electronics, and their performance has been improving. As their performance improves, the occurrence of unstable behaviors such as oscillation and noise in power device packages and circuits can cause system failures. Hence, a new design technology to ensure the stable operation is required. In this study, a novel design method is proposed and applied to oscillation phenomena of SiC-MOSFETs and Si-IGBTs during short-circuit operation. The effectiveness of the method is demonstrated by comparing the results calculated using the proposed method and the results obtained using conventional methods and experimental results. In chapter 1, the requirements for power semiconductors in the international effort to achieve zero CO2 emissions in 2050 are summarized. Then, the trend of research and development on the improvement of power device characteristics for smaller and higher efficiency power conversion systems is discussed, focusing on Si-IGBT and SiC-MOSFET. In chapter 2, previous studies on oscillation phenomena and its suppression are summarized, which can become issues as the power devices are improved. These previous studies can be classified into two categories: one based on equivalent circuits and the other based on device physics. However, there has not been sufficient discussion on the oscillation phenomenon that strongly couples circuits and devices, which is becoming more important as power devices become more high-performance. Technology computer aided design (TCAD) mixed mode simulation can handle both circuits and device physics, however, it is difficult to use it for realistic device design due to the large amount of calculation. In Chapter 3, a new method based on the S-parameter and the signal flow graph (SFG) is introduced to analyze the circuit stability. This method allows us to calculate the frequency response of the output current to the external field maintaining the response of the carrier distribution and electric field inside the device. The signal gain for the focused operating mode can be easily calculated by applying Mason’s rule to the SFG. Additionally, the stability analysis using the Nyquist plot enables not only the judgment of the system stability with respect to the design parameters but also the quantitative evaluation of the stable/unstable margin. In Chapter 4, the usefulness of the proposed method is verified by applying it to the oscillation phenomenon of SiC-MOSFETs during Type II short-circuit operation. The S-parameters are calculated from the TCAD model for a commercial SiC-MOSFET, and stability analysis is carried out using the SFG. The dependence of the gate resistance required for oscillation suppression obtained from the mixed mode simulation of TCAD is compared with the results obtained from the proposed method. The agreement between the proposed method and the results of TCAD mixed mode simulation is confirmed. Stability analysis is conducted for both the mode in which a single switching device oscillates by coupling with parasitic elements of the circuit and the mode in which oscillation occurs through switching devices connected in parallel. The characteristics of each mode during short-circuit operation are clarified, and the stability phase diagram in the design parameter space is calculated for each mode by taking advantage of the computational speed. It is shown that which mode becomes unstable depends on the design parameters. In Chapter 5, the proposed method is applied to the oscillation phenomenon of Si-IGBTs under Type II short-circuit operation and the oscillation mechanism is investigated. Experimental results revealed that the oscillation occurred during Type II short-circuit operation and it can be suppressed by increasing the gate resistance. The resistance required for oscillation suppression decreases as the collector voltage increases. The stability analysis is conducted using the proposed method. It is confirmed that the calculated critical gate resistance decreases as the collector voltage increases. The results are in good agreement with the experimental results. The internal behavior of the device under the oscillation state is also analyzed. During the short-circuit operation, a high electric field region is formed at the boundary between the base and drift layers, and the carrier distribution at both ends of the plasma region is modulated through the electron-hole plasma. This modulation becomes more responsive when the collector voltage is smaller. In Chapter 6, the development potential of the proposed method and future challenges are discussed. This study presents a new method for accelerating the development of power devices and power electronics systems that contribute to CO2 reduction, which is becoming an international effort. This method provides an integrated approach for managing the multilevel design hierarchy, from devices to power conversion systems. It is expected that this achievement will make it possible to fully use the potential of power devices and contribute to expanding the application field of power electronics.再生可能エネルギーの普及，自動車などの電動化を推進するため，パワーエレクトロニクスの技術革新が期待されている．パワーデバイスはそのキーとなる部品であり高性能化が進んでいる．高性能化に伴いパワーデバイスのパッケージや回路で生じる発振・ノイズなどの不安定動作が課題となっている．このような不安定動作はシステムの故障や誤動作の原因となるため，安定動作を担保する新しい設計技術が求められている．本研究ではパワーデバイスの内部動作から回路やシステムまでを統一的に安定化する新たな設計手法を提案する．第1章では，2050年のCO2排出量実質ゼロに向けた国際的な取り組みの中でパワーエレクトロニクスの効率改善，適用範囲拡大に向けた取り組みのまとめを行った．さらに電力変換システムの小型化・高効率化に向けた炭化ケイ素-金属酸化膜電界効果トランジスタ（SiC-MOSFET）とシリコン-絶縁ゲート型バイポーラートランジスタ（Si-IGBT）の高性能化の現状をまとめた．第2章では，パワーデバイスの高性能化に伴い顕在化する発振現象と，その抑制に関する先行研究の到達点を整理した．先行研究は等価回路に基づく研究と，デバイス物理に基づく研究に分類される．しかし，パワーデバイスの高性能化に伴い顕在化する回路とデバイスがより強く結合する発振現象について十分な議論がされていなかった．Technology computer aided design（TCAD）のmixed modesimulationは回路とデバイス物理の双方を取り扱えるが計算量が多く，現実の素子設計への適用は難しく，課題となっている．第3章では，パワーデバイスの内部動作から回路やシステムまでを統一的に設計する手法を提案する．本手法では，デバイスモデルを元に，TCADシミュレーションの結果から求めたS-parameterと回路を，signal flow graph（SFG）を用いて統一的に取り扱い安定性を解析する．この手法では，デバイス内部のキャリア分布や電界の外場応答を維持したモデル化が可能である．SFGに対してMason’s ruleを適用することで着目した動作モードに対する信号ゲインを容易に計算することができる．安定性解析にNyquist plotを用いることで，設計パラメータに対する安定・不安定の判定を行うだけでなく，設計者が定量的にマージンを設定することが可能になる．第4章では，提案手法をSiC-MOSFETのType II短絡動作時の発振現象に適用することで手法の有用性を示した．市販のSiC-MOSFETの動作を模擬したTCADモデルからS-parameterを計算し，SFGを使って安定性解析を実施した．TCAD mixed mode simulationから求めた発振抑制に必要なゲート抵抗の回路パラメータ依存性と提案手法から求められた計算結果を比較し，提案手法とTCAD mixed mode simulationの結果が一致する事を確認した．また，単素子が回路の寄生要素と結合して発振するモードと，並列接続された素子を通じて発振するモードの双方についてそれぞれ安定性解析を実施した．短絡動作時の各モードの特徴を明らかにするとともに，計算速度を生かし，モード毎に設計パラメータ空間内での安定性の相図を計算し，設計パラメータにより不安定になるモードが異なる事を示した．第5章では，提案手法をSi-IGBTのType II短絡動作時の発振現象に適用した．はじめに，Si-IGBTのType II短絡動作時の発振を実験的に調べ，提案手法による計算結果が実験結果と一致することを示した．また，発振状態でのデバイス内部動作の解析により，短絡動作時にベースとドリフト層境界に，キャリア密度が低下した高電界領域が形成され，外場によってこの領域が伸縮する際，電子正孔プラズマを介して，プラズマ領域両端のキャリア分布が変調されることがわかった．この変調はコレクタ電圧が小さく，高電界領域が狭いほど大きいことが分かった．実験結果の対応から，短絡時に生じる高電界領域とプラズマ領域の外場に対する応答が，外部回路との結合により発振を引き起こすと考えられる．以上のように本手法は，簡易な計算で回路安定性評価とデバイス内部状態解析を同時に行うことができる．第6章では，本研究のまとめを行い，本手法の発展性について述べた．電磁界解析と本手法を組み合わせたモジュール構造最適化などについて触れた．本論文は，今後国際的な取り組みが高まるCO2削減に貢献するパワーエレクトロニクスシステムの開発を加速し，デバイスからシステムまでの全体設計を行うための新しい手法を示したものである．本手法は，これまでその特性を十分に生かしきれていなかったパワーデバイスの特性活用を進め，パワーエレクトロニクスの適用範囲拡大に貢献することが期待される．九州工業大学博士学位論文 学位記番号：工博甲第542号 学位授与年月日：令和4年3月25日1 Overview of power electronics and power semiconductor|2 Oscillation phenomena in power semiconductor operation|3 Theory of oscillation analysis with a signal flow graph and a scattering parameter|4 Analysis of Oscillation phenomena of SiC MOSFETs|5 Analysis of Oscillation phenomena of Si-IGBTs|6 Conclusions九州工業大学大学院令和3年

Study on the suppression methods of bipolar degradation for SiC power semiconductor

本研究では、SiCパワー半導体の信頼性低下をもたらすバイポーラ劣化現象の新たなモデルを提案し、デバイス構造パラメータとバイポーラ劣化の関係を理論的に明らかにした。さらに、Si蒸気圧エッチング法と呼ぶSiC基板の表面処理を提案し、本処理によりバイポーラ劣化が抑制されることを実験的に確認した。本成果はSiCの結晶品質、デバイス構造、動作環境に関する新たな指針を与え、パワーエレクトロニクス機器の信頼性向上に貢献する。第1章では、パワーエレクトロニクス機器の高効率化に期待される半導体SiCの性能と省エネに対する効果ならびにSiCパワー半導体の実用化の動向を概説し、本研究の背景としてバイポーラ動作するSiCパワー半導体において信頼性低下をもたらすバイポーラ劣化現象に関して言及した。バイポーラ劣化の抑制手法ならびにそのメカニズムの理解において、SiC基板内でバイポーラ劣化の起点となる基底面転位を積極的に貫通刃状転位へ変換させる手法に関して報告された例はほとんどない。また、基底面転位の位置を考慮したデバイス構造パラメータとバイポーラ劣化の関係に関しても十分に明らかにされていない。本研究ではこれらの課題について実験的かつ理論的に明らかにすることを目的とし、バイポーラ劣化の本質的解決における本研究の重要性について述べた。第2章では、SiC基板表面の熱化学エッチングプロセスであるSi蒸気圧エッチング法を提案し、ダメージフリー平坦化加工によるSiC基板の表面改質がもたらすエピタキシャル膜の高品質化ならびに基板の機械的強度の改善の効果を示すとともに、基底面転位がSiC基板内で貫通刃状転位へ変換する挙動と定量的な変換深さの効果を示した。Si蒸気圧エッチング法は、高品質エピタキシャル成長ならびにSiCパワー半導体の信頼性向上を実現するSiC表面の新たな高品質化技術として期待されるが、SiCパワー半導体にもたらすバイポーラ劣化抑制効果を実験的および理論的に検証するまでには至っておらず、基板中の基底面転位の貫通刃状転位への変換効果を定量的に示す必要性について言及した。第3章では、4H-SiC PiNダイオードを例としてSiCパワー半導体中の基底面転位に起因するバイポーラ劣化現象の理論的な理解のために新たなモデルを提案した。具体的には、PiNダイオード構造中の基底面転位がシングルショックレー型積層欠陥へ拡張する臨界ホール濃度を用いてバイポーラ劣化が発生する電流密度（臨界電流密度）を予測するモデルを構築した。本モデルにおいては、ドーパントのイオン化、バンドギャップナローイング効果、および移動度などの温度依存性を考慮した物理モデルを採用し、498 Kまでの高温条件下におけるバイポーラ劣化の予測を可能とした。第4章では、基板中の基底面転位がシングルショックレー型積層欠陥へ拡張する電流密度および温度の閾値をPiNダイオードの試作ならびに順方向通電ストレス試験より評価した。このとき、基板中の基底面転位によるバイポーラ劣化において拡張起源の基底面転位のBurgersベクトル解析も行い、Burgersベクトルの成分は温度および電流密度に対して依存性がないことを明らかにした。さらに、Si蒸気圧エッチング法により加工されたウェハを用いたPiNダイオードは従来加工法である化学機械研磨されたウェハよりも基板中の基底面転位に起因するバイポーラ劣化が発生しにくいことを実験的にはじめて明らかにした。また、両者のウェハ間でのバイポーラ劣化が発生したPiNダイオードの数の比率は、Si蒸気圧エッチング法による基板内の基底面転位の貫通刃状転位への変換率と良い相関を示すことを明らかにした。第5章では、第4章の試作PiNダイオード通電ストレス試験により得られたバイポーラ劣化の電流密度および温度の閾値から提案したモデル式を用いて臨界ホール濃度を推定した。推定された臨界ホール濃度をもとに基底面転位がPiNダイオード中のドリフト層、バッファ層、ならびに基板に位置するときのデバイス構造パラメータと臨界電流密度の関係を数値的に明らかにし、バイポーラ劣化を抑制するためのデバイス構造ならびに温度に対する設計指針を与えた。さらに、基板のホールのライフタイムを短くすること、基板内の基底面転位－貫通刃状転位の変換位置を深くすることで臨界電流密度を向上させる効果が示されたことから、両者の組み合わせによって注入ホールが基底面転位に一層到達しにくくなる相乗効果が期待できる。本モデルの結果は、バッファ層においてキャリア再結合の制御を行わずとも基板の結晶品質を制御することによってバイポーラ劣化を抑制する新たな手法を提案し、Si蒸気圧エッチング法による基板内の基底面転位の貫通刃状転位への変換効果がもたらすバイポーラ劣化抑制の優位性を定量的に示した。第6章では、本研究により得られた結果を総括して本論文の結論と今後の展望と課題をまとめた。九州工業大学博士学位論文 学位記番号：生工博甲第365号 学位授与年月日：令和2年3月25日第1章 半導体SiCのパワーエレクトロニクス機器への実用化と課題|第2章 Si蒸気圧エッチング法|第3章 SiCパワー半導体バイポーラ劣化予測モデルの設計|第4章 PiNダイオード通電ストレス試験|第5章 バイポーラ劣化予測モデルによるPiNダイオードの臨界電流密度の計算|第6章 結論九州工業大学令和元年