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，在硬開關變流器的柵極驅(qū)動設計中，通常采用負柵極電壓關斷。但是這對于CoolSiC™ MOSFET真的有必要嗎？ by 英飛凌科技股份公司 Klaus Sobe
引言
選擇適當?shù)臇艠O電壓值是設計所有柵極驅(qū)動的關鍵。借助英飛凌的CoolSiC™ MOSFET技術，設計人員能夠選擇介于15-18V之間的開通柵極電壓，從而讓開關擁有最佳的載流能力或抗短路能力。而柵極關斷電壓值只需要確保器件能夠安全地關斷。英飛凌建議設計人員將MOSFET分立器件的關斷電壓定為0V，從而實現(xiàn)柵極驅(qū)動電路的簡化。
為此，本文將介紹一種易于重現(xiàn)的方法來表征碳化硅MOSFET的敏感性，并報告利用CoolSiC™ MOSFET分立器件獲得的試驗結(jié)果。
寄生導通效應
柵極的電感和電容反饋可能導致半導體開關意外導通。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。下管開關S2的體二極管續(xù)流負載電流IL，直至上管開關S1導通。當負載電流換向到S1后，S2的漏源極電壓開始上升。在本階段，不斷上升的漏極電位可通過米勒電容CGD拉高S2的柵極電壓。柵極關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，則柵極電壓可能超出閾值電壓VTH，從而導致上下管直通，增加開關損耗。
圖1. 米勒電容CGD在體二極管關斷期間的影響
直通現(xiàn)象的風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電壓高、電壓變化率高和結(jié)溫高。這些條件不僅導致柵極電壓更大幅度地上升，還會降低閾值電壓VTH。在硬件方面，最主要的影響因素包括與CGD并聯(lián)的的電路板寄生電容、與CGS并聯(lián)的的外部電容、柵極關斷電壓以及柵極關斷電阻。
特性測試平臺搭建和方法
設計人員經(jīng)常研究半導體開關的柵極-電荷曲線，以了解其對寄生導通的敏感性。這種方式雖然足夠簡單直觀（只需大致查看數(shù)據(jù)表即可），但并不能針對特定應用得出真正有用的結(jié)論。其一大缺點在于，柵極電荷在本質(zhì)上是靜態(tài)的，而寄生導通顯然是動態(tài)效應。因此，必須開展專門的特性表征試驗，以在實際應用條件下，評估1200V/45mΩ 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斷電壓為0V的條件下開展。
圖2. 用于特性測試的硬件配置：上管開關S1作為“dv/dt發(fā)生器”，下管開關S2作為受試器件。實驗目的是找到能夠避免寄生導通的S2最大柵極關斷電阻。
半橋評估板的配置如圖2所示。它本質(zhì)上屬于換向單元，其中下管開關為被測器件，而上管開關用作dv/dt發(fā)生器。當上管器件導通時，下管器件的漏源極電壓不斷上升，dvDS/dt導致產(chǎn)生柵極電壓上升；并且，柵極關斷電阻越小，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斷電阻值。這種所謂的臨界柵極電阻是指，相比用0Ω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(shù)據(jù)，但同時也足夠小，在大多數(shù)應用中可忽略不計（參見圖3）。
本文在不同溫度、不同負載電流和不同電壓斜率下開展試驗。后者利用上管開關S1的RGon進行調(diào)整。
圖3. 在100°C下且RGoff值不同時，1200V/45mΩ CoolSiC™ MOSFET的波形示例。相比基準波形（黑色，0Ω），其它波形的Q*rr分別增大10%（橙色；12Ω）和40%（紅色；22Ω）。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、布局和無源器件的容性電荷，以及（3）由寄生導通產(chǎn)生的電荷。
圖4. 被測的1200V/45mΩ CoolSiC™ MOSFET臨界柵極電阻值與dvDS/dt的函數(shù)關系。測量結(jié)果是利用0V的柵極關斷電壓在800V和0A下獲得的。虛線表示計算的趨勢線。
特性測試結(jié)果結(jié)果
在零負載電流下進行測試意味著，被測器件的體二極管在開關動作之前沒有正向偏壓。未出現(xiàn)二極管恢復；瞬態(tài)動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800V、電流0A的條件下獲得的測量結(jié)果。很明顯，為避免出現(xiàn)寄生導通，需要更小的RGoff。值得一提的是，即使在50V/ns和175°C的條件下，0V的柵極關斷電壓也足以防止寄生導通。如果無法選擇足夠小的RGoff，則可以使用具有源米勒鉗位功能的驅(qū)動（如1EDC30I12MH）。
在較高的負載電流條件下，出現(xiàn)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。簡言之，有三種效應發(fā)揮作用：
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體二極管恢復使平均dvDS/dt變慢，緩解了寄生導通。
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換流回路電感和器件輸出電容之間的振蕩會局部增加dvDS/dt，使情況更加嚴峻。
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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(quán)重取決于實際的硬件配置。在使用應用于本文所述的所有試驗的評估板時，175°C和0A是最關鍵的條件。因此，圖4突出顯示的無寄生導通的區(qū)域也適用于40A測量——無論是TO-247封裝還是TO-247-4引腳封裝。
圖5. 在800V、15A和150°C時，不同1200V碳化硅MOSFET技術能實現(xiàn)的最小導通開關損耗。被測器件的標稱通態(tài)電阻為60-80mΩ，在柵極電壓18/0V和柵極電阻4.7 Ω的條件下運行。為便于比較，還顯示了驅(qū)動電壓為18/-5V時CoolSiC™ MOSFET的開關損耗。
對高速開關應用的影響
如圖3所示，由電容反饋引起的直通電流和體二極管的反向恢復電流很難區(qū)分開來。這兩種效應都能延緩或緩和瞬態(tài)電壓，并導致二極管側(cè)和開關側(cè)的開關損耗的增加。在要求開關速度最快的應用中，寄生導通就如不合適的續(xù)流二極管一樣，會對開關性能造成限制。
圖5所示為不同的碳化硅MOSFET技術在柵極電壓18/0V的條件下運行時能實現(xiàn)的最小開通損耗。雖然不是所有器件都能在這樣的驅(qū)動條件下保持快速開關的特性，但結(jié)果證明CoolSiC™ MOSFET對寄生導通具有很高的抗擾度。
結(jié)論
本文介紹了一種簡單的方法，來表征功率半導體開關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800V的母線電壓和50V/ns的開關速度下進行試驗，結(jié)果表明，即使對于高速兩電平變流器而言，0V的柵極關斷電壓也是可行的。在研究開關電壓僅為總線電壓一半的三電平電路時，情況得到徹底緩解。在這種情況下，無論柵極電阻值是多少，CoolSiC™ MOSFET幾乎都沒有寄生導通。
假設有一個良好設計的、柵漏極電容極低的PCB布局，這時英飛凌鼓勵電力電子工程師使用0V的柵極關斷電壓來操作CoolSiC™ MOSFET分立器件。這有助于簡化柵極驅(qū)動的設計，同時保證性能不受影響。
參考文獻
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