技术分享 | 解析SiC MOSFET串扰特性

时间： 2024-08-10 来源：瑶芯微电子公众号

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第三代宽禁带半导体材料SiC相对Si器件具有更快的开关速度，更高的耐压能力以及更好的温度特性，相应地带来更小的损耗，系统磁性元器件体积减小，功率密度的提升等优势。然而，随着SiC MOSFET开关频率的不断增加，在半桥结构（如逆变电路、全桥电路等）桥臂串扰现象越发严重，易造成桥臂直通短路或影响可靠性，限制了SiC MOSFET开关频率及系统功率密度进一步提高。

串扰产生原因

· 开关速度：SiC MOSFET具有更快的切换速度，在开关动作瞬间产生高 dv/dt（电压变化率）和高di/dt（电流变化率）。
-正dv/dt：在米勒电容（Crss，MOSFET中漏极-栅极之间的电容）上产生流向驱动侧的位移电流，在栅极阻抗引起正向感应电压，叠加在栅源极上会引起栅源极电压抬升。
-负dv/dt：在米勒电容上产生流向器件侧的位移电流，在栅极阻抗引起负向感应电压，造成栅源极出现过大的电压负向峰值。

· 电路寄生参数：在半桥拓扑等电路结构中，线路存在寄生电感、寄生电容等，在开关动作时与器件相互作用产生串扰。

· 以半桥电路为例串扰过程分析：
-正向串扰：
当上管栅极电压达到阈值后沟道开启，电流换向，此时下管体二极管承受反向电压，Vds2电压迅速上升，米勒效应产生位移电流在其门极产生压降。Lg为栅极引线杂感，位移电流Ig流过Lg2后，由楞次定律可知，产生左负右正的感应电动势VLg2，Vgs2=-V2+（VLg2+VRg2）

式中-V2为SiC驱动负电压，VLg2为寄生电感感应电压，VRg2为内部Rg产生电压，因此在上管开通时，下管Vgs串扰电压为VLg2+VRg2，如该电压超过开通阈值电压Vth，将会导致上下直通的可能性。

图1 上下管开通及串扰过程

-负向串扰：

当主上管栅极电压达到米勒电压，其漏源极电压开始上升，下漏源极电压Vds2开始下降，如图1所示。此时在下管门极产生的串扰电压和正向串扰公式一样，但电压电流变化率不同，该负向电压可能超过额定门极负压，对门极可靠性造成影响。

串扰影响

1.可能导致桥臂短路：如果正向串扰电压使另一原本应截止的开关管部分或完全导通，会导致上下桥臂同时导通，形成短路路径。

2.栅极损伤：负向串扰电压如果超过SiC MOSFET栅极负向额定电压，将造成栅极过应力，长期可能导致栅极损坏。

3.限制开关速度：在SiC MOSFET工作中产生串扰问题，可能限制原本SiC MOSFET可以达到更高开关速度。

抑制措施

1.降低开关速度：最为直观，但限制了其高频优势，使系统效率和功率密度有所折扣。

2.选择合适的负驱动电压：选择一个折中使正向串扰不高于阈值电压、负向串扰不超过额定负压的负驱动电压（不过较难选择，往往需要基于现有系统多次实验）。

3.增加辅助电路：在门极回路中添加辅助电路（如通过MOSFET、BJT等控制），给串扰提供一个低阻抗的路径，但增加了驱动设计难度和成本。

4.优化设计减小寄生参数：在设计时尽可能将寄生电感、电容等做到尽可能小。

5.技术改进
-减小栅极引线阻抗：从而减小阻抗上的感应压降，抑制栅源极过压。
-采用有源米勒箝位技术：泄放位移电流，有效保护SiC MOSFET器件。
-通过三级关断串扰抑制技术：改善栅极驱动波形，有效抑制过大的电压正向抬升和负向电压。

6.器件选型：选择具有较低米勒电容（Crss）的碳化硅器件，能提高器件的抗干扰能力，降低器件在串扰行为下误导通的风险。

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