【经验】针对SiC串扰抑制方法的测试报告解析

时间： 2022-02-11 来源：派恩杰

技术问答

近年来，以SiCMOSFET 为代表的宽禁带半导体器件因其具有高开关频率、高开关速度、高热导率等优点，已成为高频、高温、高功率密度电力电子变换器的理想选择。然而随着SiC MOSFET开关速度加快，桥式电路受寄生参数影响加剧，串扰现象更加严重。由于SiC MOSFET 正向阈值电压与负向安全电压较小，串扰问题引起的正负向电压尖峰更容易造成开关管误导通或栅源极击穿，进而增加开关损耗，严重时损坏开关管，因此合适的串扰抑制方法对提高变换器工作可靠性、提升其功率密度具有重要意义。

产生机理：

正负尖峰电压主要有两个地方产生，一个是由于Cgd的充放电产生的电流，另一个是驱动回路中共源的寄生电感产生的感应电压，两者都会通过驱动回路影响到栅极电压。Cgd引起的串扰电压，主要是由于Cdu/dt的感应电流流过驱动回路产生阻抗，因此减小门极驱动回路阻抗，串扰电压幅值也会变小。而共源电感引起的串扰电压，主要是电流变化在电感两端产生感应电压导致，外接驱动回路阻抗与Cgs串联，驱动回路阻抗越大，Cgs分压越小，所以产生的尖峰也会更小。所以电压尖峰的产生是由于Cgd以及Ls共同导致的结果，且两者产生的电压尖峰与驱动电阻大小呈相反的关系。因此减小电压尖峰要考虑两者共同的影响，分析出哪一部分是主导，从而采取相应措施，否则可能适得其反。

正压尖峰：

图一所示半桥拓扑下，两个MOS关断情况下，上管忽然导通，由于A点电压急剧变化，会在驱动回路产生压降，导致下管Vgs电压升高，当此电压高到一定程度，则有可能会发生误开通。

负压尖峰：

图一所示半桥拓扑下，上管MOS开通，下管MOS关断的情况下，上管忽然关断，A点电压极剧变化，会使得电流通过下管Cgd流出，导致Vgs产生一个负压尖峰。

目前市场上主要都是针对Cgd产生的尖峰进行抑制，包括减小驱动回路阻抗，在GS极并联外接电容等措施。

另外补充说明，外部测量到的门极电压并不是真是加在MOS的GS极的电压，图1可以看出真实的门极电压等于测试到的门极电压减去内部电阻分压减去Ls产生的感应电压，可以看出内部电阻越大则测量到的门极电压也会更大，所以评估串扰电压大小需要综合考虑MOS的内部电阻大小。

图1 串扰电压产生及测量误差原理

本文针对市面上常用的尖峰抑制方法进行测试对比，由于正压尖峰会导致桥臂直通，所以很多工程师更多关注正压尖峰而忽视了负压尖峰如果负压尖峰长期处于较大的水平对器件寿命及可靠性都会产生影响，下述测试均采用双脉冲的方式测试串扰电压，重点关注的点如图二所示，目前常用的七种串扰抑制方法如下并在图2（b）中标注。

●改变驱动电阻大小（本文中测量的下管串扰电压，逐步增大上管的Rg）

●外加Cgs电容

●外部增加TVS管抑制

●芯片集成米勒钳位方法

●改变驱动负压

●改进型三极管钳位电路

●正负压二极管钳位电路

图2（a）重点关注串扰电压时刻；（b）七种串扰抑制方法

本次采用派恩杰SiC MOSFET P3M12080K3进行串扰测试，分析上述方法对串扰影响的大小。P3M12080K3这个产品封装是TO247-3，这种封装相对来说串扰会更大，更便于观察电路对串扰大小的调节效果。

表1 为七种方法对串扰的影响测试结果

变Rg的串扰正压如图3所示：

图 3 变Rg串扰正压测试结果

变Rg的串扰负压如图4所示：

图 4 变Rg串扰负压测试结果

可以看出随着Rg的逐渐增大，串扰正压是逐渐降低的，而串扰负压随着Rg的变化无明显改变。

变Cgs的串扰正压如图5所示：

图5 变Cgs串扰正压测试结果

变Cgs的串扰负压如图6所示：

图6 变Cgs串扰负压测试结果

可以看出：

●只有当外部Cgs大到一定程度，串扰电压才能看到明显的改善；

●使用外部稳压管对串扰正压基本没有作用，对串扰负压有一定程度的改善；

●使用芯片米勒钳位功能可以非常有效的减小串扰正压和串扰负压；

●降低驱动负压可以将串扰正压同步拉低，但是串扰负压会变得更大；

●使用改进型的三极管钳位电路对串扰正负压都有非常明显的抑制作用；

●使用二极管钳电路对串扰正压改善作用不大，但是对串扰负压有明显的抑制作用。

综合以上测试结果，我们可以对串扰抑制方法进行总结：

●芯片门极米勒钳位、改进型三极管钳位电路、增大Rg对串扰正压都有明显的改善作用；

●芯片门极米勒钳位、改进型三极管钳位电路、二极管钳位电路对串扰负压有明显的改善作用，其中芯片门极米勒钳位和二极管钳位电路原理一样，芯片门极米勒钳位是通过内部MOS的寄生二极管接到VEE起到了钳位作用；

●对于定型的产品需要改善串扰，可以通过增大Rg去减小串扰正压，但是器件开关损耗会增大，需要工程师自行平衡；对于新设计的产品，建议优先选择带米勒钳位的驱动芯片进行设计，如芯片不带米勒钳位建议选择改进型三级管钳位电路抑制串扰。

附录为测试波形，如图7(a)、（b）、（c)。

图 7（a）未做任何串扰抑制措施；（b）仅使用芯片米勒钳位测试结果；（c）使用改进型三极管钳位电路测试结果

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