SiC MOSFET驱动电压尖峰分析与抑制（下）

时间： 2024-01-02 来源：瞻芯电子公众号

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SiC MOSFET,IV1Q12080T3,IV1Q12080T4,IVCR1401

【背景】高频、高速开关是碳化硅(SiC)MOSFET的重要优势之一，这能让系统效率显著提升，但也会在寄生电感和电容上产生更大的振荡，从而在驱动电压上产生更大的尖峰。

驱动电压尖峰会对系统有诸多不良影响。首先，驱动电压尖峰若超出SiC MOSFET的驱动电压安全范围，可能导致器件误开关，甚至损坏器件。其次，尖峰电压可能产生电磁干扰，影响系统EMC指标。最后，驱动电压尖峰带来的高频震荡还会导致电流波形不稳定，从而影响系统的性能和稳定。

因此，抑制驱动电压尖峰，成为发挥SiC MOSFET优势的关键课题。本系列上篇讲解过：“驱动电压尖峰复现与分析”，本篇主讲第二部分：“驱动电压尖峰的抑制方法”。

双脉冲测试方法

瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法，来复现分析SiC MOSFET的开关过程中驱动电压尖峰，以便采取对策。在双脉冲测试中，Q1和Q2为瞻芯电子1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始终保持关断，上管Q1则进行开关动作。当上管Q1开通时电流路径为红色实线，当上管Q1关断时电流路径为红色虚线，如下图1：

图1：双脉冲测试电路及过程

抑制尖峰对策一：并联二极管钳位

利用二极管的单向导通特性，在MOSFET栅极和源极并联二极管，来钳位因米勒效应和di/dt在源极的震荡导致的驱动电压负尖峰。如下图2所示，当上管Q1关闭时，高dv/dt导致器件米勒电容放电，同时源极产生自感电动势，这些导致Vgs产生负尖峰，当负尖峰电压超过二极管阈值电压时，二极管将导通以消除Vgs的负尖峰。

图2：MOSFET并联二极管

在下列测试波形图3中，Vgs负压尖峰几乎消除，但是在0V关断的条件下，因寄生电感释放能量，导致正尖峰增大到3.9V，存在误开通风险。

所以二极管钳位可以有效消除负尖峰，但是正尖峰风险增大，因此推荐搭配使用驱动负压偏置，以避免MOSFET误开通。

图3：0V驱动，且并联二极管

图4：0V驱动，但无钳位

抑制尖峰对策二：并联电容

在-3.5V关断下管Q2，且不加抑制尖峰对策时，驱动电路如下图5。当首次关闭上管Q1时的波形如图6，当开通上管Q1时的波形如图7，都出现较大正负尖峰：

图5：不加抑制时，上管Q1关闭的电路

若利用电容的稳压和滤波特性，在MOSFET栅极和源极并联合适的电容，可吸收和平滑驱动电压正负尖峰，如图8：

图8：并联电容时，上管Q1关闭

当上管Q1关闭后，在Vds降低到0V后，Vgs负压尖峰不再下拉，如下图9；当上管Q1开通时，Vgs正尖峰也被限制得较低，如下图10：

如果在系统中有高频震荡，还建议在电容处串联阻尼电阻，会有更好的尖峰震荡抑制效果，电路如下图11：

图11：MOSFET并联电容+电阻

在并联电容上，串联电阻的驱动波形如下图12、13：

虽然串联电阻后对主尖峰的吸收效果略有减弱，但对于TO247-3封装的器件，考虑源极引脚会导致管芯上的Vgs电压尖峰和持续震荡，所以加吸收电阻有更好的阻尼效果。

抑制尖峰对策三：采用开尔文源极驱动

因为TO247-4封装器件具有开尔文源极引脚，可与功率回路源极分开，让源极电感无法影响驱动电压，因而能有效抑制源极管脚寄生电感引起的驱动电压尖峰，其电路示意图如下图14：

图14：采用开尔文源极引脚驱动

下列的波形图中，采用-3.5V驱动电压关断的SiC MOSFET，TO247-4封装器件因具备开尔文源极引脚，对比TO247-3器件，其驱动电压尖峰被显著抑制，其中负压尖峰由-7.4V提升到-6.9V，正压尖峰由2.58V降低到-2.99V，如下图15-16：

图15：有开尔文源极引脚驱动的波形

图16：无开尔文源极引脚驱动的波形

如果SiC MOSFET选用TO247-4封装，同时并联电容和电阻，还能进一步吸收驱动电压尖峰，抑制持续震荡，总体效果更好，如下图17-18：

图17：采用TO247-4+RC吸收

图18：采用开尔文源极引脚驱动+RC吸收的波形

综合对比上述3种抑制对策，效果最佳的方式为采用具有开尔文源极的TO247-4封装器件，并合理搭配吸收电容和电阻。

米勒钳位应用对策

为应对SiC MOSFET较低的阈值电压(Vth)，瞻芯电子开发了SiC专业·比邻驱动芯片TM IVCR1401，其内部集成负压驱动与退保和保护功能。在下列驱动电路中，加入了2个钳位MOSFET，如下图19：

图19：SiC专用驱动芯片IVCR1401+米勒钳位管

当主MOSFET关断时，钳位管导通，以短接驱动电阻Rg，等效于米勒钳位，能显著抑制驱动电压主尖峰，如下图20：

图20：对比有无米勒钳位管的波形

总结

1、驱动电压尖峰的主要原因有2点：

-高dv/dt时的米勒电效应；

-高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。

2、驱动电压尖峰的最佳抑制方法为：采用开尔文源极引脚驱动，并搭配合适的电容和电阻，以吸收尖峰和震荡；

3、对于TO247-3封装，不建议用米勒钳位，最多用电容串联电阻的弱下拉，如下图21：

图21：对比TO247-3与TO247-4封装的驱动回路

4、对于TO247-4封装或驱动回路源极漏感小的电路，可用各种米勒钳位对策；

5、建议驱动路径尽量靠近器件引脚根部，规避长引脚的寄生电感。

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SiC MOSFET驱动电压尖峰分析与抑制（上）

高频、高速开关是碳化硅(SiC) MOSFET的重要优势之一，这能显著提升系统效率，但也会在寄生电感和电容上产生更大的振荡，从而让驱动电压产生更大的尖峰。设计可靠的驱动电路来抑制的驱动电压尖峰，成为发挥SiC MOSFET优势特性的关键课题。为此，我们首先测试复现驱动尖峰波形并分析原因，然后采取相应措施来抑制尖峰。本篇主讲第一部分：驱动电压尖峰复现与分析。

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产品型号	品类	Qualification	VDS（V）	RDS(ON) （mΩ）	ID（TC=25°C）（A）	VTH（ TJ =25°C）（V）	VTH（ TJ =175°C）（V）	Qg（nC）	Operating Junction Temperature（°C）	Package
IV2Q06025T4Z	SiC MOSFET	汽车级	650V	25mΩ	99A	2.8V	2.0V	125.0nC	-55°C to 175°C	TO247-4

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