【導讀】隨著SiC 工藝逐漸成熟和成本不斷下降，SiC MOSFET憑借整體性能優于硅基器件一個數量級的優勢正逐漸普及，獲得越來越多的工程應用。相較于傳統的Si功率器件，SiC MOSFET具有更小的導通電阻，更快的開關速度，使得系統損耗大幅降低，效率提升，體積減小，從而實現變換器的高效高功率密度化，因此廣泛適用于5G數據中心通信電源，新能源汽車車載充電機，電機驅動器，工業電源，直流充電樁，光伏，UPS等各類能源變換系統中。
然而這種快速的暫態過程會使SiC MOSFET的開關性能對回路的寄生參數更加敏感，對驅動設計要求更加嚴格。以分立的SiC MOSFET為例，根據電流不同其dv/dt通常可以達10~60V/ns。功率回路中高速變化的dv/dt通過寄生電容耦合到驅動回路會使得門極振蕩甚至誤開通，從而導致橋臂直通，器件損毀。因此，以派恩杰650V 40mΩ SiC MOSFET P3M06040K4為例，對SiC MOSFET驅動誤開通現象進行深入探討，并提出避免誤開通的解決方案。
01SiC MOSFET橋臂串擾問題
如圖1所示為SiC MOSFET的半橋應用電路，上管QH開通過程會在橋臂中點產生高速變化的dv/dt，下管Vds電壓變化通過米勒電容CGD產生位移電流，從而在門極驅動電阻和寄生電感上產生正的電壓干擾，當電壓干擾使得門極電壓超過器件的閾值電壓就可能導致原本關斷的下管誤開通。為了分析方便，暫時忽略寄生電感的影響，由此可以得到上管開通過程中下管門極電壓為：
其中RG=Rg_ext+Rg_int ,Vee為關斷電壓，當dvds/dt趨向無窮大時，門極電壓極限值為：
因此，抑制電壓串擾的方法有: (1) 減小門極驅動電阻RG 或者門極寄生電感Lg (2)有源米勒鉗位 (3) 負壓關斷 (4) 增加柵源電容CGS 或者減小米勒電容CGD
圖1 SiC MOSFET橋臂串擾問題
02串擾抑制策略
(1) 減小門極驅動電阻通常受限于器件應力水平和dv/dt速度，過小的驅動電阻使得dv/dt過大會加劇米勒電容引入的位移電流也可能導致門極電壓尖峰不減小反而增大，因此需要在滿足應力的情況下合理選擇驅動電阻。減小驅動回路寄生電感需要優化PCB Layout，盡可能減小驅動元件到SiC MOSFET間的距離。
(2) 有源米勒鉗位電路如圖2所示，對于關斷的器件如果門極產生正的電壓干擾超過設定閾值Vth(MC)，開關管SMC導通，為位移電流提供低阻抗放電回路，從而抑制開通串擾。但是，鉗位回路依然包括器件內部電阻和連接點到MOSFET內寄生電感，當這部分壓降較大時，有源鉗位的作用會減弱，有可能器件內部仍然發生誤開通。因此只有在SiC器件內部電阻較小時才能有不錯的抑制效果，派恩杰650V SiC MOSFET內部門極電阻僅1.13Ω，因此采用有源鉗位可以起到很好的抑制串擾作用。
圖2 有源米勒鉗位
(3) 如圖3所示，給出了一直關斷的下管QL在上管QH開通關斷過程中的門極電壓波形，可知負壓關斷的作用相當于把整個門極波形下移了Vee ，使得正的電壓尖峰遠離器件閾值電壓，從而避免了上管開通時下管誤開通，但同時使得上管關斷時下管負壓尖峰增大。SiC MOSFET的允許負壓通常不超過-8V，因此需要合理選擇負壓關斷，對于派恩杰的SiC MOSFET推薦采用-3V關斷。
圖3 零壓與負壓關斷時下管門極波形
(4) 在GS兩端并聯電容來增大CGS ,可以很好的抑制電壓串擾作用，但是會一定層度上減緩開通速度，更嚴重的是對于并聯支路內部寄生電感較大時有可能會增加門極寄生振蕩。因此最適合的方法是在器件層面增加柵源電容CGS 或者減小米勒電容CGD。為了說明器件本身防止誤開通抗干擾能力，把dvds/dt趨向無窮大時導致的門極電壓變化作為綜合評價指標，即ΔVgs=ΔVds*CGD/(CGD+CGS), ΔVgs越小，意味著門極誤開通風險更小，抗干擾能力更強。以派恩杰650V SiC MOSFET P3M06040K4為例，當ΔVds=Vbus=400V時，可以得到派恩杰的SiC MOSFET與各國際競爭廠家ΔVgs性能對比。如圖4所示，可以看出派恩杰的SiC MOSFET具有極小的ΔVgs，更低的門極誤開通風險。
圖4 SiC 器件誤開通抗干擾能力指標對比
來源：三代半煉金術師
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