驅(qū)動(dòng)電壓尖峰復(fù)現(xiàn)與分析

【背景】

高頻、高速開關(guān)是碳化硅(SiC) MOSFET的重要優(yōu)勢(shì)之一，這能顯著提升系統(tǒng)效率，但也會(huì)在寄生電感和電容上產(chǎn)生更大的振蕩，從而讓驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生更大的尖峰。

驅(qū)動(dòng)電壓尖峰會(huì)對(duì)系統(tǒng)有諸多不良影響。首先，驅(qū)動(dòng)電壓尖峰若超出SiC MOSFET的安全驅(qū)動(dòng)電壓范圍，可能引發(fā)器件誤開關(guān)，甚至損壞器件。其次，尖峰電壓可能產(chǎn)生電磁干擾，影響系統(tǒng)EMC指標(biāo)。最后，驅(qū)動(dòng)電壓尖峰帶來的高頻震蕩還會(huì)導(dǎo)致電流波形不穩(wěn)定，從而影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。

因此，設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)電路來抑制的驅(qū)動(dòng)電壓尖峰，成為發(fā)揮SiC MOSFET優(yōu)勢(shì)特性的關(guān)鍵課題。為此，我們首先測(cè)試復(fù)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)尖峰波形并分析原因，然后采取相應(yīng)措施來抑制尖峰。本篇主講第一部分：驅(qū)動(dòng)電壓尖峰復(fù)現(xiàn)與分析。

雙脈沖測(cè)試方法與設(shè)備

瞻芯電子采用經(jīng)典的雙脈沖測(cè)試方法，來復(fù)現(xiàn)SiC MOSFET的開關(guān)過程中驅(qū)動(dòng)電壓尖峰，以便分析原因和采取對(duì)策。在雙脈沖測(cè)試電路中，Q1和Q2為瞻芯電子1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始終保持關(guān)斷，上管Q1則進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)上管Q1開通時(shí)電流路徑為紅色實(shí)線；當(dāng)上管Q1關(guān)斷時(shí)電流路徑為紅色虛線，如圖1：

圖1：雙脈沖測(cè)試電路

以上測(cè)試中，通過開關(guān)上管Q1，來測(cè)試下管Q2因寄生電感和米勒效應(yīng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電壓尖峰，如下示意圖2：

圖2：雙脈沖測(cè)試過程

為了消除PCB板的寄生參數(shù)對(duì)測(cè)試波形的影響，瞻芯電子針對(duì)2種封裝：TO247-3和TO247-4，分別制作了2塊雙脈沖測(cè)試板，如下圖3：

圖3：雙脈沖測(cè)試板

具體的測(cè)試設(shè)備配置，包括信號(hào)發(fā)生器、直流電源、負(fù)載電感、示波器以及高帶寬的非隔離探頭或光隔離探頭，其中非隔離探頭采用最小接地環(huán)，從而取得更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，如下圖4：

圖4：測(cè)試設(shè)備環(huán)境

驅(qū)動(dòng)電壓尖峰復(fù)現(xiàn)

1、用0V關(guān)斷電壓時(shí)的參考電路與波形

如果不采取抑制尖峰措施，則驅(qū)動(dòng)電路如下圖5：

圖5：0V關(guān)斷且不加鉗位的驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)關(guān)閉上管Q1的過程中，測(cè)試下管Q2的柵極(Gate)和源極(Source)引腳之間的電壓(Vgs)，出現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)電壓(Vgs)負(fù)尖峰(-4.9V)和正尖峰震蕩，如下波形圖6：

圖6：0V關(guān)斷且不加鉗位的驅(qū)動(dòng)波形

以上波形圖中，負(fù)壓尖峰按不同成因分為兩段：第一段是當(dāng)Vds下降過程中dv/dt較大，因米勒電容放電，放電電流在Rg上產(chǎn)生壓降，而讓Vgs產(chǎn)生下拉負(fù)尖峰；第二段在Vds下降到0V后，Vgs出現(xiàn)負(fù)尖峰和正尖峰震蕩，這是體二極管續(xù)流的di/dt在源極引腳的寄生電感產(chǎn)生。

2、用-3.5V關(guān)斷電壓時(shí)的參考電路與波形

瞻芯電子的SiC MOSFET推薦斷負(fù)壓范圍是-3.5V~-2V，這里選擇最低值-3.5V電壓驅(qū)動(dòng)，來測(cè)試串?dāng)_引發(fā)的尖峰，如下圖7：

圖7：-3.5V關(guān)斷且不加鉗位的驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)上管Q1關(guān)斷時(shí)，如下波形圖7所示：綠色的Vds降低到0V過程中，藍(lán)色的下管Q2的Vgs因Q2的米勒電容Cgd放電，進(jìn)而在驅(qū)動(dòng)電阻Rg上產(chǎn)生壓降，即為測(cè)試波形中-3.5V下方的負(fù)尖峰。在Vds下降到0V后，下管Q2的Vgs又因源極寄生電感和di/dt，而產(chǎn)生更低的負(fù)尖峰和正尖峰震蕩。

圖7：-3.5V關(guān)斷下管Q2時(shí), 關(guān)斷上管Q1

當(dāng)上管Q1開通時(shí)，如下波形圖8，在綠色Vds為0V的階段，藍(lán)色的下管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs因體二極管電流轉(zhuǎn)移和反向恢復(fù)，而在源極寄生電感上產(chǎn)生較大正尖峰（2.58V）和震蕩。在Vds上升的階段，Vgs尖峰主要由Cgs與寄生電感導(dǎo)致的震蕩。

圖8：-3.5V關(guān)斷下管Q2時(shí), 開通上管Q1

綜合上述分析，串?dāng)_尖峰主要有2方面原因：

1、高dv/dt時(shí)的米勒電效應(yīng)； 2、高di/dt在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的震蕩。

3、開蓋測(cè)試SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓

因?yàn)镾iC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓尖峰的主因之一是驅(qū)動(dòng)回路里的MOSFET 源極電感，所以針對(duì)TO247-3封裝器件，如果要得到更真實(shí)的管芯驅(qū)動(dòng)波形，可去掉器件的塑封材料，直接從芯片上測(cè)試驅(qū)動(dòng)電壓，可對(duì)比呈現(xiàn)引腳上和管芯上的驅(qū)動(dòng)波形差異。

圖9：開蓋測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試板

其中VG_LS是測(cè)源極引腳與柵極引腳之間的電壓；VG_LS_K是測(cè)管芯源極與柵極之間的電壓，測(cè)試點(diǎn)如下：

圖10：開蓋測(cè)試點(diǎn)

測(cè)試中，下管Q2保持關(guān)斷，上管Q1進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，過程如下圖11：

圖11：測(cè)試過程

在上管Q1初次開通時(shí)（1st Rising），如下波形圖12所示：雖然從引腳測(cè)試VG_LS有較大正尖峰及震蕩，但藍(lán)色的管芯VG_LS_K顯示驅(qū)動(dòng)電壓波動(dòng)很小，幾乎沒有明顯尖峰，比較安全。

圖12：測(cè)試下管Q2芯片時(shí)，上管Q1開通

在上管Q1初次關(guān)斷時(shí)（1st Falling），如下波形圖13所示：雖然從引腳測(cè)得綠色的VG_LS則有較大的負(fù)尖峰及震蕩；管芯上VG_LS_K幾乎沒有負(fù)壓尖峰，但有正尖峰，與VG_LS的差異較大。

圖13：上管Q1關(guān)閉時(shí)，給下管Q2芯片的驅(qū)動(dòng)串?dāng)_波形

上管關(guān)斷后，電感電流通過下管的體二極管續(xù)流，在下管的源極電感上產(chǎn)生“下正上負(fù)”的自感電動(dòng)勢(shì)，由于VG_LS測(cè)量的是引腳上的電壓，因此VG_LS會(huì)下降，產(chǎn)生負(fù)尖峰。而VG_LS_K測(cè)的是管芯上的電壓，自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)Cgs充電，讓VG_LS_K抬升。因此會(huì)看到引腳與管芯上的電壓呈現(xiàn)相反的尖峰波形。

圖13：上管Q1關(guān)閉，給下管Q2芯片的驅(qū)動(dòng)串?dāng)_尖峰分析

在上管Q1第二次開通時(shí)（2nd Rising），如下波形圖14所示：管芯VG_LS_K沒有正尖峰，但有平緩的負(fù)尖峰，這是由于下管的反向恢復(fù)電流，抬升了源極電動(dòng)勢(shì)，從而讓Vgs-k出現(xiàn)負(fù)尖峰。

圖14：上管Q1開通時(shí)，給下管Q2芯片的驅(qū)動(dòng)串?dāng)_尖峰

為了對(duì)比呈現(xiàn)不同長(zhǎng)度的管腳寄生電感的影響，在第二次開通上管Q1時(shí)，分別從長(zhǎng)/短源極管腳去測(cè)試驅(qū)動(dòng)電壓Vgs，2組波形如下圖15/16：

圖15：短引腳測(cè)試波形

圖16：長(zhǎng)引腳測(cè)試波形

如上圖16，當(dāng)用較長(zhǎng)的源極引腳測(cè)試時(shí)，管芯真實(shí)驅(qū)動(dòng)電壓有更大的過沖和震蕩，而且超過SiC MOSFET閾值電壓(Vth)，導(dǎo)致下管Q2誤開通和較大Vds震蕩。

總結(jié)

驅(qū)動(dòng)串?dāng)_尖峰的主要原因有2點(diǎn)：

高dv/dt時(shí)的米勒電效應(yīng)；

高di/dt在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的震蕩。

2. SiC MOSFET管芯的真實(shí)驅(qū)動(dòng)電壓，與TO247-3引腳測(cè)到的驅(qū)動(dòng)電壓可能呈現(xiàn)相反的尖峰波形。

3. 若管腳測(cè)到超規(guī)格的驅(qū)動(dòng)波形，可進(jìn)一步確認(rèn)管芯的真實(shí)驅(qū)動(dòng)電壓；

4. 若從長(zhǎng)引腳測(cè)得較大Vds震蕩，可能器件有誤開通，甚至損壞器件。

5. 建議驅(qū)動(dòng)路徑盡量靠近器件引腳根部，規(guī)避長(zhǎng)引腳的寄生電感。

審核編輯：劉清