【導(dǎo)讀】近年來(lái)，以SiCMOSFET 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件因其具有高開(kāi)關(guān)頻率、高開(kāi)關(guān)速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，已成為高頻、高溫、高功率密度電力電子變換器的理想選擇。然而隨著SiC MOSFET開(kāi)關(guān)速度加快，橋式電路受寄生參數(shù)影響加劇，串?dāng)_現(xiàn)象更加嚴(yán)重。由于SiC MOSFET 正向閾值電壓與負(fù)向安全電壓較小，串?dāng)_問(wèn)題引起的正負(fù)向電壓尖峰更容易造成開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通或柵源極擊穿，進(jìn)而增加開(kāi)關(guān)損耗，嚴(yán)重時(shí)損壞開(kāi)關(guān)管，因此合適的串?dāng)_抑制方法對(duì)提高變換器工作可靠性、提升其功率密度具有重要意義。
產(chǎn)生機(jī)理：
正負(fù)尖峰電壓主要有兩個(gè)地方產(chǎn)生，一個(gè)是由于Cgd的充放電產(chǎn)生的電流，另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)回路中共源的寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，兩者都會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路影響到柵極電壓。Cgd引起的串?dāng)_電壓，主要是由于Cdu/dt的感應(yīng)電流流過(guò)驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生阻抗，因此減小門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路阻抗，串?dāng)_電壓幅值也會(huì)變小。而共源電感引起的串?dāng)_電壓，主要是電流變化在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓導(dǎo)致，外接驅(qū)動(dòng)回路阻抗與Cgs串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)回路阻抗越大，Cgs分壓越小，所以產(chǎn)生的尖峰也會(huì)更小。所以電壓尖峰的產(chǎn)生是由于Cgd以及Ls共同導(dǎo)致的結(jié)果，且兩者產(chǎn)生的電壓尖峰與驅(qū)動(dòng)電阻大小呈相反的關(guān)系。因此減小電壓尖峰要考慮兩者共同的影響，分析出哪一部分是主導(dǎo)，從而采取相應(yīng)措施，否則可能適得其反。
正壓尖峰：圖一所示半橋拓?fù)湎?，兩個(gè)MOS關(guān)斷情況下，上管忽然導(dǎo)通，由于A點(diǎn)電壓急劇變化，會(huì)在驅(qū)動(dòng)回路產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致下管Vgs電壓升高，當(dāng)此電壓高到一定程度，則有可能會(huì)發(fā)生誤開(kāi)通。
負(fù)壓尖峰：圖一所示半橋拓?fù)湎?，上管MOS開(kāi)通，下管MOS關(guān)斷的情況下，上管忽然關(guān)斷，A點(diǎn)電壓極劇變化，會(huì)使得電流通過(guò)下管Cgd流出，導(dǎo)致Vgs產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓尖峰。
目前市場(chǎng)上主要都是針對(duì)Cgd產(chǎn)生的尖峰進(jìn)行抑制，包括減小驅(qū)動(dòng)回路阻抗，在GS極并聯(lián)外接電容等措施。
另外補(bǔ)充說(shuō)明，外部測(cè)量到的門(mén)極電壓并不是真是加在MOS的GS極的電壓，圖一可以看出真實(shí)的門(mén)極電壓等于測(cè)試到的門(mén)極電壓減去內(nèi)部電阻分壓減去Ls產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可以看出內(nèi)部電阻越大則測(cè)量到的門(mén)極電壓也會(huì)更大，所以評(píng)估串?dāng)_電壓大小需要綜合考慮MOS的內(nèi)部電阻大小。
圖一 串?dāng)_電壓產(chǎn)生及測(cè)量誤差原理
本文針對(duì)市面上常用的尖峰抑制方法進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，由于正壓尖峰會(huì)導(dǎo)致橋臂直通，所以很多工程師更多關(guān)注正壓尖峰而忽視了負(fù)壓尖峰如果負(fù)壓尖峰長(zhǎng)期處于較大的水平對(duì)器件壽命及可靠性都會(huì)產(chǎn)生影響，下述測(cè)試均采用雙脈沖的方式測(cè)試串?dāng)_電壓，重點(diǎn)關(guān)注的點(diǎn)如圖二所示，目前常用的七種串?dāng)_抑制方法如下并在圖三中標(biāo)注。
1、改變驅(qū)動(dòng)電阻大?。ū疚闹袦y(cè)量的下管串?dāng)_電壓，逐步增大上管的Rg）
2、外加Cgs電容
3、外部增加TVS管抑制
4、芯片集成米勒鉗位方法
5、改變驅(qū)動(dòng)負(fù)壓
6、改進(jìn)型三極管鉗位電路
7、正負(fù)壓二極管鉗位電路
圖二 重點(diǎn)關(guān)注串?dāng)_電壓時(shí)刻
圖三 七種串?dāng)_抑制方法
本次采用派恩杰SiC MOSFET P3M12080K3進(jìn)行串?dāng)_測(cè)試，分析上述方法對(duì)串?dāng)_影響的大小。P3M12080K3這個(gè)產(chǎn)品封裝是TO247-3，這種封裝相對(duì)來(lái)說(shuō)串?dāng)_會(huì)更大，更便于觀(guān)察電路對(duì)串?dāng)_大小的調(diào)節(jié)效果。
表一為七種方法對(duì)串?dāng)_的影響測(cè)試結(jié)果
表一 七種串?dāng)_抑制方法測(cè)試結(jié)果
變Rg的串?dāng)_正壓如圖四所示：
圖四 變Rg串?dāng)_正壓測(cè)試結(jié)果
變Rg的串?dāng)_負(fù)壓如圖五所示：
圖五 變Rg串?dāng)_負(fù)壓測(cè)試結(jié)果
可以看出隨著Rg的逐漸增大，串?dāng)_正壓是逐漸降低的，而串?dāng)_負(fù)壓隨著Rg的變化無(wú)明顯改變。
變Cgs的串?dāng)_正壓如圖六所示：
圖六 變Cgs串?dāng)_正壓測(cè)試結(jié)果
變Cgs的串?dāng)_負(fù)壓如圖七所示：
圖七 變Cgs串?dāng)_負(fù)壓測(cè)試結(jié)果
可以看出：
1、只有當(dāng)外部Cgs大到一定程度，串?dāng)_電壓才能看到明顯的改善；
2、使用外部穩(wěn)壓管對(duì)串?dāng)_正壓基本沒(méi)有作用，對(duì)串?dāng)_負(fù)壓有一定程度的改善；
3、使用芯片米勒鉗位功能可以非常有效的減小串?dāng)_正壓和串?dāng)_負(fù)壓；
4、降低驅(qū)動(dòng)負(fù)壓可以將串?dāng)_正壓同步拉低，但是串?dāng)_負(fù)壓會(huì)變得更大；
5、使用改進(jìn)型的三極管鉗位電路對(duì)串?dāng)_正負(fù)壓都有非常明顯的抑制作用；
6、使用二極管鉗電路對(duì)串?dāng)_正壓改善作用不大，但是對(duì)串?dāng)_負(fù)壓有明顯的抑制作用。
綜合以上測(cè)試結(jié)果，我們可以對(duì)串?dāng)_抑制方法進(jìn)行總結(jié)：
1、芯片門(mén)極米勒鉗位、改進(jìn)型三極管鉗位電路、增大Rg對(duì)串?dāng)_正壓都有明顯的改善作用；
2、芯片門(mén)極米勒鉗位、改進(jìn)型三極管鉗位電路、二極管鉗位電路對(duì)串?dāng)_負(fù)壓有明顯的改善作用，其中芯片門(mén)極米勒鉗位和二極管鉗位電路原理一樣，芯片門(mén)極米勒鉗位是通過(guò)內(nèi)部MOS的寄生二極管接到VEE起到了鉗位作用；
3、對(duì)于定型的產(chǎn)品需要改善串?dāng)_，可以通過(guò)增大Rg去減小串?dāng)_正壓，但是器件開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增大，需要工程師自行平衡；對(duì)于新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，建議優(yōu)先選擇帶米勒鉗位的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，如芯片不帶米勒鉗位建議選擇改進(jìn)型三級(jí)管鉗位電路抑制串?dāng)_。
附錄為測(cè)試波形，如圖八、圖九、圖十。
圖八 未做任何串?dāng)_抑制措施
圖九 僅使用芯片米勒鉗位測(cè)試結(jié)果
圖十 使用改進(jìn)型三極管鉗位電路測(cè)試結(jié)果
來(lái)源：三代半煉金術(shù)師
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