輕松驅動(dòng)CoolSiC? MOSFET：柵極驅動(dòng)設計指南

由米勒電容引起的寄生導通效應，常被認為是當今碳化硅MOSFET應用的一大缺陷。為了避免這種效應，在硬開(kāi)關(guān)變流器的柵極驅動(dòng)設計中，通常采用負柵極電壓關(guān)斷。但是這對于CoolSiC? MOSFET真的有必要嗎？

引言

選擇適當的柵極電壓值是設計所有柵極驅動(dòng)的關(guān)鍵。借助英飛凌的CoolSiC MOSFET技術(shù)，設計人員能夠選擇介于15-18 V之間的開(kāi)通柵極電壓，從而讓開(kāi)關(guān)擁有最佳的載流能力或抗短路能力。而柵極關(guān)斷電壓值只需要確保器件能夠安全地關(guān)斷。英飛凌建議設計人員將MOSFET分立器件的關(guān)斷電壓定為0 V，從而實(shí)現柵極驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)化。

為此，本文將介紹一種易于重現的方法來(lái)表征碳化硅MOSFET的敏感性，并報告利用CoolSiC^? MOSFET分立器件獲得的試驗結果。

圖1：米勒電容CGD在體二極管關(guān)斷期間的影響。

寄生導通效應

柵極的電感和電容反饋可能導致半導體開(kāi)關(guān)意外導通。但如果使用了碳化硅MOSFET，通?？紤]的是由米勒電容引起的電容反饋。圖1便解釋了這種效應。下管開(kāi)關(guān)S₂的體二極管續流負載電流I_L，直至上管開(kāi)關(guān)S₁導通。當負載電流換向到S₁后，S₂的漏源極電壓開(kāi)始上升。在本階段，不斷上升的漏極電位可通過(guò)米勒電容C_GD拉高S₂的柵極電壓。柵極關(guān)斷電阻試圖抵消并拉低電壓。如果該電阻的電阻值不足以拉低電壓，則電壓可能超出閾值水平，從而導致上下管直通，增加開(kāi)關(guān)損耗。

直通現象的風(fēng)險和嚴重程度通常取決于特定的運行條件和測量硬件。最危險的運行條件是母線(xiàn)電壓高、電壓急劇上升和結溫高。這些條件不僅導致柵極電壓更大幅度地上升，還會(huì )降低閾值水平。在硬件方面，最主要的影響因素包括與C_GD平行的電路板寄生電容、與C_GS平行的外部電容、柵極關(guān)斷電壓以及柵極關(guān)斷電阻。

圖2：用于特性測試的硬件配置：上管開(kāi)關(guān)S1作為“dv/dt發(fā)生器”，下管開(kāi)關(guān)S₂作為受試器件。實(shí)驗目的是找到能夠避免寄生導通的S₂最大柵極關(guān)斷電阻。

特性測試平臺搭建和方法

設計人員經(jīng)常研究特定半導體開(kāi)關(guān)的柵極-電荷曲線(xiàn)，以了解其對寄生導通的敏感性。這種方式雖然足夠簡(jiǎn)單直觀(guān)（只需大致查看數據表即可），但并不能針對特定應用得出真正有用的結論。其一大缺點(diǎn)在于，柵極電荷在本質(zhì)上是靜態(tài)的，而寄生導通顯然是動(dòng)態(tài)效應。因此，必須開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的特性表征試驗，以在實(shí)際應用條件下，評估1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET在TO-247 3引腳和4引腳封裝中的寄生導通特性。所有試驗均在柵極關(guān)斷電壓為0 V的條件下開(kāi)展。

半橋評估板的配置如圖2所示。它本質(zhì)上屬于換向單元，其中下管開(kāi)關(guān)為被測器件，而上管開(kāi)關(guān)用作dv/dt發(fā)生器。當上管器件導通時(shí)，下管器件的漏源極電壓不斷上升，導致產(chǎn)生柵極電壓d_vDS/dt；并且，柵極關(guān)斷電阻越小，發(fā)生寄生導通的概率越低。本試驗旨在為給定的測試用例找到臨界柵極關(guān)斷電阻值。這種所謂的臨界柵極電阻是指，相比用0 Ω柵極電阻獲得的基準波形，導致Q*rr增大10%的電阻值。10%的閾值足以使我們獲得可靠的測量數據，但同時(shí)也足夠小，在大多數應用中可忽略不計（參見(jiàn)圖3）。

本文在不同溫度、不同負載電流和不同電壓斜率下開(kāi)展試驗。后者利用上管開(kāi)關(guān)S₁的RG_on進(jìn)行調整。

圖3：在100°C下且R_Goff值不同時(shí)，1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET的波形示例。相比基準波形（黑色，0 Ω），其它波形的Q*rr分別增大10%（橙色；12 Ω）和40%（紅色；22 Ω）。

符號Q*rr表示以下三種電荷量之和：（1）體二極管的反向恢復電荷；（2）半導體器件、布局和無(wú)源器件的容性電荷，以及（3）由寄生導通產(chǎn)生的電荷。

特性測試結果結果

在零負載電流下進(jìn)行測試意味著(zhù)，被測器件的體二極管在開(kāi)關(guān)動(dòng)作之前沒(méi)有正向偏壓。未出現二極管恢復；瞬態(tài)動(dòng)作僅僅是電容的充放電。在這種情況下，寄生電感中感應的電壓作用不大。因此，TO-247和TO-247-4引腳封裝的性能是相同的。

圖4概述了在電壓800 V、電流0 A的條件下獲得的測量結果。很明顯，為避免出現寄生導通，需要更小的R_Goff，d_vDS/dt越大，溫度就越高。值得一提的是，即使在50 V/ns和175°C的條件下，0 V的柵極關(guān)斷電壓也足以防止寄生導通。如果無(wú)法選擇足夠小的R_Goff，則可以使用具有源米勒鉗位功能的驅動(dòng)（如1EDC30I12MH）。

在較高的負載電流條件下，出現了從S₂的體二極管到S₁的MOS溝道的硬換流。由于存在二極管反向恢復和感應電壓，情況較為復雜。簡(jiǎn)言之，有三種效應發(fā)揮作用：

1. 體二極管恢復使平均dv_DS/dt變慢，緩解了寄生導通。

2. 換流回路電感和器件輸出電容之間的振蕩會(huì )局部增加dv_DS/dt，使情況更加嚴峻。

3. 假設采用標準TO-247封裝，S₂的通用源極端子的負反饋導致柵極電壓降低，增加了抗寄生導通的強度。

顯然，上述效應的權重取決于實(shí)際的硬件配置。在使用應用于本文所述的所有試驗的評估板時(shí)，175°C和0 A是最關(guān)鍵的條件。因此，圖4突出顯示的無(wú)寄生導通的區域也適用于40 A測量——無(wú)論是TO-247封裝還是TO-247-4引腳封裝。

圖4：被測的1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET臨界柵極電阻值與d_vDS/dt的函數關(guān)系。測量結果是利用0 V的柵極關(guān)斷電壓在800 V和0 A下獲得的。虛線(xiàn)表示計算的趨勢線(xiàn)。

對高速開(kāi)關(guān)應用的影響

如圖3所示，由電容導通引起的直通電流和體二極管的反向恢復電流很難區分開(kāi)來(lái)。這兩種效應都能延緩或緩和瞬態(tài)電壓，并導致二極管側和開(kāi)關(guān)側的開(kāi)關(guān)損耗的增加。在要求開(kāi)關(guān)速度最快的應用中，寄生導通就如不合適的續流二極管一樣，會(huì )對開(kāi)關(guān)性能造成限制。

圖5所示為不同的碳化硅MOSFET技術(shù)在柵極電壓18/0 V的條件下運行時(shí)能實(shí)現的最小開(kāi)通損耗。雖然不是所有器件都能在這樣的驅動(dòng)條件下保持快速開(kāi)關(guān)的特性，但結果證明CoolSiC MOSFET對寄生導通具有很高的抗擾度。

圖5：在800 V、15 A和150°C時(shí)，不同1200 V碳化硅MOSFET技術(shù)能實(shí)現的最小導通開(kāi)關(guān)損耗。

被測器件的標稱(chēng)通態(tài)電阻為60-80 mΩ，在柵極電壓18/0 V和柵極電阻4.7 Ω的條件下運行。為便于比較，還顯示了驅動(dòng)電壓為18/-5 V時(shí)CoolSiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗。

結論

本文介紹了一種簡(jiǎn)單的方法，來(lái)表征功率半導體開(kāi)關(guān)對由米勒電容引起的寄生導通的敏感性。我們利用CoolSiC MOSFET分立器件在800 V的母線(xiàn)電壓和50 V/ns的開(kāi)關(guān)速度下進(jìn)行試驗，結果表明，即使對于高速兩電平變流器而言，0 V的柵極關(guān)斷電壓也是可行的。在研究開(kāi)關(guān)電壓僅為總線(xiàn)電壓一半的三電平電路時(shí)，情況得到徹底緩解。在這種情況下，無(wú)論柵極電阻值是多少，CoolSiC MOSFET幾乎都沒(méi)有寄生導通。

假設有一個(gè)良好設計的、柵漏極電容極低的PCB布局，這時(shí)英飛凌鼓勵電力電子工程師使用0 V的柵極關(guān)斷電壓來(lái)操作CoolSiC MOSFET分立器件。這有助于簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)的設計，同時(shí)保證性能不受影響。

參考文獻

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