浅谈SiC MOSFET的串扰Crosstalk

时间： 2024-02-28 来源：阿基米德半导体公众号

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以GaN、SiC为代表的第三代新型半导体材料近年来迅速发展，在光伏储能、轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，有望成为支撑通信、能源、交通、国防等重点产业发展的新材料。第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优点，是电力电子应用领域的“核芯”。在对SiC MOSFET双脉冲测试过程中，都会面对一个棘手的难题，一旦处理不好就有可能导致桥臂直通发生炸机，它就是Crosstalk（串扰）。

何为串扰，一句话概括就是在半桥电路中，动作管开关动作产生的dv/dt通过其对管Crss（反向电容）产生位移电流并上拉或下拉原本为关断电平的对管驱动电压。下面对串扰类型进行简单的原理分析：

图 1 双脉冲测试原理以及各寄生参数分布图

a.正向Crosstalk

如图1双脉冲测试回路，动作管为S1，陪测管为S2。当S1开通时，其端电压Vds1下降，S2管开始承受反压，其两端的电压Vds2以dv/dt的速度快速上升，那么dv/dt就会通过S2的Crss产生位移电流Irss=Crss*dv/dt，Irss会流入S2的驱动电压抬升出现正向尖峰，如果超过S2的Vth，则会导致误开通，轻则增加损耗，重则桥臂直通发生炸机，这一过程称为正向Crosstalk。

b.负向Crosstalk

如图1双脉冲测试回路，动作管仍为为S1，陪测管仍为 S2。当S1关断时，整个过程与正向Crosstalk原理一样，只是电压和电流的方向相反，导致S2的驱动电压下拉出现反向尖峰。SiC MOSFET栅极负向耐压能力很差，负向尖峰一旦超过极限值就会影响SiC MOSFET的寿命或直接将其栅极击穿，这一过程称为负向Crosstalk。实际测试中，不管SiC MOSFET还是Si IGBT都会存在Crosstalk，只不过SiC MOSFET开关速度快、Vth小、栅极耐压能力弱，所以Crosstalk的影响就显得尤为突出，造成的结果更加严重。为了有效抑制Crosstalk，首先就要精准捕捉到Crosstalk的波形，但由于寄生参数以及测量设备的因素，导致常常捕捉到的是错误的波形，干扰分析与判断。

一、寄生参数的影响

如图1原理所示，SiC MOSFET芯片两端的驱动电压是Vgs，而驱动板输出的电压以及实际测量点均为Vgs-M，因此实际测试出来的栅极电压包括Rgint以及Lks上的压降，没有真正测到芯片两端的电压。导致这种情况发生的原因是电压探头无法直接挂在SiC MOSFET的芯片上，只能接在器件封装的引脚上。由于寄生参数的影响，Crosstalk的严重程度被低估了，很容易导致以下两种情况：一是通过测量结果判断Crosstalk在可接受范围内，然而实际已经发生误开通；二是研发人员费了很大功夫，看似将Crosstalk抑制住了，实际上还存在较大偏差。对于寄生参数带来的影响，需要我们在测量中考虑足够的裕量，同时尽量将检测点位靠近芯片端。

二、差分探头的影响

由于之前大多测试设备都是用来测试 Si 器件的，所以直接用之前的设备来对SiC MOSFET进行测试，里面最常用的就是高压差分探头，其测量范围广、差分输入、高阻抗等特点深受大家喜爱，但是用来测量Crosstalk就不太合适了，因为Crosstalk的幅度范围在±10V以内，高压差分探头的衰减倍数大，这就导致测量误差大、噪声大，同时差分探头的测量线很长，会对信号造成干扰，影响测量结果。

图 2 泰克高压差分探头

对某SiC MOSFET进行测试，从波形来看，使用高压差分探头测量得到的Crosstalk波形震荡幅度很高，正向Crosstalk尖峰已经超过SiC MOSFET的Vth，但是器件并未发生误导通，说明测出来的波形是有问题的；负向Crosstalk尖峰也已经超过了SiC MOSFET栅极耐压极限，但是器件栅极并没有击穿。当使用光隔离探头进行测量时， Crosstalk波形与高压差分探头的波形有着显著的区别，正、负向Crosstalk尖峰幅值以及频率都在可接受范围之内。这主要是由于光隔离探头的高频共模抑制比，同时其探头前端与器件的连接可实现最小环路连接。

图 3 某SiC MOSFET实测Crosstalk波形

综合上述情况来看，要想实际的捕捉到SiC MOSFET的Crosstalk波形，那么必要的栅极设计以及高精度的测量设备是缺一不可的，这样才能确保科研人员对Crosstalk进行准确的分析，做出有效的抑制方案。

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