【導讀】米勒電容引起的寄生導通常被認為是碳化矽MOSFET的弱點。為了避免這種效應，硬開關逆變器通常采用負柵極電壓關斷。但是
，這對於CoolSiC™MOSFET真的是必要的嗎？

引言

選擇適當的柵極電壓是設計所有柵極驅動電路的關鍵。憑借英飛淩的CoolSiC™MOSFET技術，設計人員能夠選擇介於18V和15Vzhijiandezhajikaitongdianya，congershiqijianjuyoujijiadezailiunenglihuozhekekaodeduanlunaiyongxing。lingyifangmian，zhajiguanduandianyajinxuquebaoqijianbaochianquanguanduanjike。yingfeilinggulishejirenyuanzai0V下關斷分立式MOSFET，從而簡化柵極驅動電路。

為此，本文介紹了一種易於重現的方法來表征碳化矽MOSFET的寄生導通敏感性，並介紹了使用分立式CoolSiC™MOSFET所獲得的測試結果。

寄生導通效應

對柵極的電感反饋和電容反饋可能導致半導體開關產生不必要的導通。如果使用了碳化矽MOSFET，則通常考慮是米勒電容產生的電容反饋。圖1便解釋了這種效應。低邊開關S₂的體二極管導通負載電流I_L
，直至高邊開關S₁導通。在負載電流換向到S₁之後
，S₂的漏源電壓開始上升。在這個階段
，不斷上升的漏極電位通過米勒電容C_GD上拉S₂的柵極電壓。然後
，柵極關斷電阻試圖抵消並拉低電壓。但如果電阻值不夠低

，則柵極電壓可能超過閾值水平，從而導致直通
、增加開關損耗。

直通事件的風險和嚴重程度取決於特定的操作條件和測量硬件。高母線電壓、高dV_DS/dt和高結溫是最關鍵的工作點。這些條件不僅會更嚴重地上拉柵極電壓

，還會降低閾值電壓。硬件方麵的主要影響因素是：與C_GD並聯的電路板寄生電容，與C_GS並聯的外部電容
，柵極關斷電壓以及柵極關斷電阻。

圖1：體二極管關斷期間米勒電容C_GD的影響

表征測試實驗設置和方法

設計人員經常會研究半導體器件的柵極電荷曲線，來了解其對寄生導通的敏感性。雖然這種方法相當簡單——隻需大致查看數據表即可——但dan卻que無wu法fa得de出chu應ying用yong結jie論lun。其qi一yi大da缺que點dian在zai於yu柵zha極ji電dian荷he在zai本ben質zhi上shang是shi靜jing態tai的de
，而er寄ji生sheng導dao通tong顯xian然ran是shi動dong態tai效xiao應ying。因yin此ci
，我wo們men在zai應ying用yong條tiao件jian下xia
，執zhi行xing專zhuan門men的de表biao征zheng測ce試shi，來lai評ping估gu1200V/45mΩ CoolSiC™MOSFET在TO-247 3引腳和4引腳兩種封裝中的寄生導通行為。所有測試均在0V關斷電壓下進行。

圖2：硬件設置：高邊開關S₁用作“dv/dt發生器”
，低邊開關S₂作為測試器件。測試旨在找到能夠避免寄生導通的S₂最大柵極關斷電阻。

半橋評估板的配置如圖2。它主要是一個換向單元
，其中低邊開關是測試器件，高邊開關用作dv/dt發生器。當高邊器件導通時，低邊器件上的漏極-源極電壓上升
，導致柵極電壓增加。當然
，dvDS/dt越低，柵極關斷電阻越低
，出現寄生導通的可能性越小。本實驗旨在確定臨界柵極關斷電阻值。這種所謂的臨界柵極電阻就是與0Ω獲得的參考波形相比導致Q*_rr增加10％的值。10％的閾值足以使我們獲得可靠的測量數據，但同時它也足夠小，在大多數應用中可忽略不計
，參見圖3：在100°C下且R_Goff值不同時1200V/45mΩ CoolSiC™MOSFET的波形示例。與參考波形（黑：0Ω）相比，其他波形的Q*_rr增加了10％（橙：12Ω）和40％（紅：22Ω）。Q*_rr表示三個電荷的總和：（1）體二極管的反向恢複電荷；（2）半導體、布局和無源元件的電容電荷

；（3）寄生導通的影響。

測試在不同溫度、不同負載電流和不同電壓斜率下進行。後者通過高邊開關S₁的R_Gon進行調節。

圖3：在100°C下且R_Goff值不同時1200V/45mΩ CoolSiC™MOSFET的波形示例。與參考波形（黑：0Ω）相比
，其他波形的Q*_rr增加了10％（橙：12Ω）和40％（紅：22Ω）。Q*_rr表示三個電荷的總和：（1）體二極管的反向恢複電荷
；（2）半導體、布局和無源元件的電容電荷；（3）寄生導通的影響。

表征測試結果

在零負載電流下進行測試意味著測試器件的體二極管在開關瞬態之前沒有正向偏置。未出現二極管恢複
；瞬態僅僅是電容的充電和放電。在這種情況下

，寄生電感中感應的電壓作用不大。因此
，TO-247和TO-247-4引腳封裝的性能是相同的。

圖4顯示了800V和0A下的測量結果。非常明顯，為避免出現寄生導通
，在更高dvDS/dt和更高溫度下
，需要更低的R_Goff。值得一提的是，即使在50V/ns和175°C的條件下，0V的柵極關斷電壓也足以防止寄生導通。如果無法選擇極低的R_Goff，則可以使用具有有源米勒鉗位功能的驅動器（如1EDC30I12MH）。

圖4：在測1200V/45mΩ CoolSiC™MOSFET的臨界柵極電阻值與dvDS/dt的函數關係。測量點是使用0V的柵極關斷電壓在800V和0A條件下獲得的。虛線表示計算的趨勢線

在較高的負載電流水平下
，出現了從S₂的體二極管到S₁的MOS溝道的硬換向。由於存在二極管反向恢複和感應電壓，情況較為複雜。簡單來說，有三種效應發揮作用：

1)體二極管恢複減慢了平均dvDS/dt，緩解了寄生導通。

2)換向回路電感和器件輸出電容之間的振蕩會局部增加dvDS/dt
，使情況更加嚴峻。

3)假設采用標準TO-247封裝

，源極端子S₂的負反饋導致柵極電壓降低，增加了抗寄生導通的強度。

顯然，上述效果的權重取決於實際的硬件設置。在使用應用於本文所述所有測試的評估板時，175°C和0A是最關鍵的條件。因此，圖4突出顯示的無寄生導通的區域也適用於40A測量——無論是TO-247還是TO-247-4引腳。

對高速開關應用的影響

如圖3所suo示shi，由you電dian容rong導dao通tong引yin起qi的de直zhi通tong電dian流liu和he體ti二er極ji管guan的de反fan向xiang恢hui複fu電dian流liu令ling人ren難nan以yi區qu分fen。不bu論lun是shi在zai二er極ji管guan還hai是shi在zai開kai關guan上shang
，這zhe兩liang種zhong效xiao應ying都dou會hui減jian緩huan電dian壓ya瞬shun變bian


，或huo使shi之zhi變bian得de平ping滑hua
，增zeng加jia開kai關guan損sun耗hao。對dui於yu需xu要yao最zui高gao開kai關guan速su度du的de應ying用yong
，寄ji生sheng導dao通tong會hui對dui性xing能neng（類似於使用不當的續流二極管）產生影響。

圖5顯示了在柵極上以18/0V工作的各種碳化矽MOSFET技術可實現的最小導通開關損耗。並非所有器件都能夠在這樣的驅動條件下保持高速開關特性
，但結果證實CoolSiC™MOSFET對寄生導通具有高抗擾度。

圖5：在800V，15A和150°C時，不同1200V碳化矽MOSFET技術可以實現的最小導通開關損耗。測試器件的標稱導通電阻為60-80mΩ，在柵極上以18/0V運行。

結論

本文介紹了一種簡單的方法，來表征功率半導體開關對米勒電容產生的寄生導通的敏感性。我們使用了在800V母線電壓和50V/ns開關速度下運行的分立式CoolSiC™MOSFET進行測試，測試結果表明
，即使在高速兩電平轉換器中，0V的(de)柵(zha)極(ji)關(guan)斷(duan)電(dian)壓(ya)也(ye)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)。在(zai)研(yan)究(jiu)開(kai)關(guan)電(dian)壓(ya)僅(jin)為(wei)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)一(yi)半(ban)的(de)三(san)電(dian)平(ping)電(dian)路(lu)時(shi)

，情(qing)況(kuang)得(de)到(dao)徹(che)底(di)緩(huan)解(jie)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，無(wu)論(lun)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)值(zhi)是(shi)多(duo)少(shao)
，CoolSiC™MOSFET幾乎都沒有容性寄生導通。

假設有一個精心設計
、柵極-漏極電容極低的PCB布局


，這時英飛淩鼓勵電力電子工程師使用0V的柵極關斷電壓來驅動分立式CoolSiC™MOSFET，這可以在不影響性能的同時，簡化柵極驅動設計。

參考文獻

[1] K. Sobe et al, “Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC™ MOSFETs”, PCIM Europe 2019, Nuremberg, Germany, May 2018

[2] T. Basler et al, “Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200 V SiC Trench MOSFET”, PCIM Europe 2018, Nuremberg, Germany, June 2018

[3] Infineon AN-2006-01: “Driving IGBTs with unipolar gate voltage”, Application Note, December 2005

[4] S. Jahdi et al, “Investigation of parasitic turn-ON in silicon IGBT and Silicon Carbide MOSFET devices: A technology evaluation”, ECCE-Europe 2015, Geneva, Switzerland, September 2015

[5] Infineon AN-2017-44: “1200V Highspeed3 IGBT in TO-247PLUS Evaluation Board”, Application Note (rev 1), November 2017

來源：英飛淩工業半導體 ，作者：Klaus Sobe  

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