門(mén)極驅動(dòng)正壓對功率半導體性能的影響

引言

對于半導體功率器件來(lái)說(shuō)，門(mén)極電壓的取值對器件特性影響很大。以前曾經(jīng)聊過(guò)門(mén)極負壓對器件開(kāi)關(guān)特性的影響，而今天我們來(lái)一起看看門(mén)極正電壓對器件的影響。文章將會(huì )從導通損耗，開(kāi)關(guān)損耗和短路性能來(lái)分別討論。

對導通損耗的影響

無(wú)論是MOSFET還是IGBT，都是受門(mén)極控制的器件。在相同電流的條件下，一般門(mén)極電壓用得越高，導通損耗越小。因為門(mén)極電壓越高意味著(zhù)溝道反型層強度越強，由門(mén)極電壓而產(chǎn)生的溝道阻抗越小，流過(guò)相同電流的壓降就越低。不過(guò)器件導通損耗除了受這個(gè)門(mén)極溝道影響外，還和芯片的厚度有很大的關(guān)系，一般越薄的導通損耗越小，所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會(huì )越厚，導通損耗就會(huì )變大。這種由芯片厚度引起的導通損耗不受門(mén)極電壓影響，所以器件耐壓越高，門(mén)極電壓即使進(jìn)一步增大對導通損耗貢獻是有限的。

我們從器件的規格書(shū)中很容易得到這個(gè)結論，如圖1的a、b分別是一個(gè)IGBT器件IKW40N120CS7的輸出特性曲線(xiàn)。在相同的IC電流下，門(mén)極電壓越高，對應的輸出線(xiàn)越陡，VCE飽和壓降越小。但是門(mén)極電壓大于15V后，即使門(mén)極電壓再升高，VCE飽和壓降變小得不多了。所以IGBT選用15V驅動(dòng)是一個(gè)不錯的選擇。

對開(kāi)關(guān)損耗的影響

另外，門(mén)極的正壓對降低開(kāi)關(guān)損耗也是有幫助的。因為開(kāi)通的過(guò)程相當于一個(gè)對門(mén)極電容充電的過(guò)程，初始電壓越大，充電越快，一般來(lái)說(shuō)開(kāi)通損耗越小。而關(guān)斷損耗則受門(mén)極負壓影響，幾乎不受門(mén)極正電壓影響。我們利用了雙脈沖平臺進(jìn)行開(kāi)關(guān)波形的測試。圖4是SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗在不同門(mén)極電壓和不同IC電流下的表現。圖5是IGBT的開(kāi)通損耗。而由于SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗絕對值比IGBT要小得多，所以從開(kāi)關(guān)損耗降低的比例來(lái)看，SiC MOSFET效果更明顯。

對短路時(shí)間的影響

凡事有得有失，雖然門(mén)極電壓高對導通損耗和開(kāi)通損耗都好，但是會(huì )犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式，IGBT短路行為與MOSFET類(lèi)似。式中μn為電子的遷移速率，Cox為單位面積柵氧化層電容，W/L為氧化層寬長(cháng)比，Vgs為驅動(dòng)正電壓，Vth為門(mén)極閾值電壓。從式中可以看出，門(mén)極正電壓越大，電流會(huì )明顯上升。

比如IGBT在門(mén)極電壓15V下有10μs的短路能力，但在門(mén)極16V時(shí)，短路能力會(huì )下降到7μs不到，如圖6。對SiC MOSFET而言，相同電流的芯片面積小得多，且可能工作在更高的母線(xiàn)電壓導致短路瞬態(tài)能量更大，如果門(mén)極電壓超過(guò)15V，甚至會(huì )失去短路耐受能力。

結論

無(wú)論對IGBT還是SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，使用的門(mén)極正電壓越高，導通損耗和開(kāi)通損耗都會(huì )降低，對整體開(kāi)關(guān)效率有利。但是會(huì )影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時(shí)不需要短路能力的話(huà)，建議適當提高門(mén)極的正電壓。

SiC MOSFET的導通損耗表現相類(lèi)似，如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。相比于圖1的橫坐標，圖2的電壓跨度更大，也就是說(shuō)SiC MOSFET適合門(mén)極電壓更高（比如18V），導通損耗更小，獲益更大。但是考慮門(mén)極氧化層的可靠性，使用電壓一般不會(huì )超過(guò)20V，英飛凌1200V的SiC MOSFET建議使用電壓為18V。

綜合以上兩者特性來(lái)說(shuō)，1200V的IGBT一般在15V以后，變化不明顯，而1200V的SiC MOSFET則變化大，如圖3。這主要是因為對于1200V等級的SiC MOSFET來(lái)說(shuō)，溝道電阻所占比重較大，而減小溝道電阻的有效手段就是提高門(mén)極電壓。