CoolSiC MOSFET的栅极驱动设计指南

由米勒电容引起的寄生导通通常被认为是当今碳化硅MOSFET的薄弱环节。为了避免这种影响，硬开关转换器的栅极驱动设计通常采用负关断栅极电压来实现。但是，CoolSiC™MOSFET确实需要吗？

 

所有栅极驱动设计的关键要素是栅极电压电平的选择。借助CoolSiC MOSFET技术，英飞凌允许设计人员在18 V至15 V之间选择导通栅极电压，从而将开关配置为分别具有最高的载流能力或短路耐用性。另一方面，关断栅极电压电平仅需确保器件保持安全关断状态。

英飞凌鼓励设计人员在0 V电压下工作其分立MOSFET，并受益于简化栅极驱动电路。为强调这一鼓励，本文介绍了一种易于再现的方法来表征碳化硅MOSFET的敏感性，并提供测试结果使用分立式CoolSiC MOSFET获得。

 

寄生开启效应

半导体开关的不期望的导通可能是由对栅极的电感性和电容性反馈引起的。但是，与碳化硅MOSFET结合使用时，通常考虑的是通过Miller电容的电容反馈。在图1中显示了一种解释这种效果的方案。低侧开关S2的体二极管传导负载电流IL，直到高侧开关S1导通。

负载电流换向S1之后，S2的漏源电压开始增加。在此阶段，上升的漏极电势通过米勒电容CGD上拉S2的栅极电压。关断栅极电阻器试图抵消并拉低电压。如果该电阻值不足以拉低电压，则该电压可能会超过阈值电平，从而导致直通并增加开关损耗。

 

图1：体二极管关断期间米勒电容CGD的影响。

 

自然，直通事件的风险和严重性取决于特定的操作条件和测量硬件。最关键的工作点是在高总线电压，陡峭的电压上升和较高的结温下。

这些条件不仅导致栅极电压上拉更强，而且降低了阈值水平。在硬件方面，影响的主要因素是与CGD并联的不希望有的寄生板电容，与CGS并联的外部电容器，关断栅极电压以及关断栅极电阻。

 

表征设置和方法

设计人员经常研究特定半导体开关的栅极电荷曲线，以了解其对寄生导通的敏感性。尽管这种方法非常简单（对数据表进行简要介绍就足够了），但实际上并不能为应用得出结论。

 

门收费特性在本质上是静态的

主要缺点是栅极电荷特性实际上是静态的，而寄生导通显然是动态的。因此，进行了专门的特性测试，以评估在应用条件下采用TO-247 3引脚和4引脚封装的1200 V / 45mΩCoolSiC MOSFET的寄生导通行为。所有测试均在0 V的关断栅极电压下进行。

 

图2：用于表征的硬件设置：高端开关S1充当“ dv / dt发生器”，低端开关S2是被测器件。该测试的目的是找到仍可避免寄生导通的S2的最大关断栅极电阻。

 

半桥评估板的配置如图2的示意图所示。它实际上是一个换流单元，其中低端开关是被测器件，而高端开关用作dv / dt发生器。当高侧器件导通时，低侧器件上上升的漏极-源极电压导致栅极电压dvDS / dt，并且关断栅极电阻越低，寄生导通的机会就越小-上。

实验的目的是确定给定测试用例的临界关断栅极电阻值。与通过0Ω获得的参考波形相比，所谓的临界栅极电阻是导致Q *下降10％的值。阈值水平为10％，足以获得可靠的测量数据，但又足够小，在大多数应用中可以忽略不计。图3。

 

图3：使用1200 V / 45mΩCoolSiC MOSFET在100°C且RGoff值不同的情况下获得的示例波形。与参考波形（黑色； 0Ω）相比，其他波形的Q * rr增加了10（橙色； 12Ω）和40％（红色； 22Ω）。符号Q * rr表示三个电荷的总和：（1）体二极管的反向恢复电荷；（2）半导体的电容性电荷，布局和无源电荷；（3）寄生匝数的贡献上。

在不同的温度，不同的负载电流和不同的电压斜率下进行测试。后者使用高端开关S1的RGon进行调整。

 

图4：被测1200 V / 45mΩCoolSiC MOSFET的临界栅极电阻值与dvDS / dt的关系。使用0 V的OFFf栅极电压在800 V和0 A下获得测量点。虚线表示计算出的趋势线。

 

表征结果

在零负载电流下进行测试意味着在开关瞬变之前，被测器件的体二极管没有正向偏置。没有二极管恢复发生；瞬变仅仅是电容的充电和放电。在这种情况下，寄生电感中感应的电压不会发挥重要作用。因此，TO-247和TO-247-4-pin封装的性能也相同。

在图4中总结了在800 V和0 A下获得的测量结果。很明显，为了防止寄生导通，RGoff必须更低，dvDS / dt越高，温度也越高。值得一提的是，即使在50 V / ns和175°C时，0 V的关断栅极电压也足以防止寄生导通。如果无法以足够低的水平选择RGoff，则具有有源Miller钳位功能的驱动器（例如1EDC30I12MH）将提供解决方案。

在较高的负载电流水平下，会发生从S2的体二极管到S1的MOS沟道的硬换向。由于存在二极管反向恢复和感应电压，因此情况变得稍微复杂一些。简而言之，以下三种效果起作用：

1. 体二极管的恢复会减慢平均dvDS / dt的速度，并通过寄生导通来缓解这种情况。
2. 换向环路电感和器件输出电容之间的振荡会局部增加dvDS / dt，从而使情况变得更加严峻。
3. 假设采用标准的TO-247封装，则通过S2的公共源极端子产生的负反馈会导致栅极电压降低，从而提高了抗寄生导通的强度。

显然，上述效果的权重取决于实际的硬件设置。对于本文介绍的用于所有测试的评估板，最关键的条件是175°C和0A。因此，图4中突出显示的没有寄生导通的区域也适用于40 A的测量。 –无论是否考虑使用TO-247或TO-247-4-引脚。

 

图5：各种1200 V碳化硅MOSFET技术在800 V，15 A和150°C时可获得的最小导通开关损耗。被测器件的标称通态电阻为60-80mΩ，并且在栅极上以18/0 V和4.7Ω工作。为了进行比较，还以18 / -5 V的驱动电压显示了CoolSiC MOSFET的开关损耗。

 

对高速交换应用的影响

如图3所示，由电容性导通引起的直通电流和体二极管的反向恢复电流很难区分。两种效应都会减慢或平滑电压瞬变，并不仅在二极管上而且在开关上引起开关能量的增加。在要求最高开关速度的应用中，寄生导通会限制性能，类似于不适当的续流二极管。

图5显示了在栅极上以18/0 V工作的各种碳化硅MOSFET技术的最小可实现的导通开关损耗。虽然并非所有器件都能在这种驱动条件下保持其高速开关特性，但结果证实了CoolSiC MOSFET具有很高的抗寄生导通能力。

 

利用米勒电容的成功 

本文介绍了一种简单的方法，用于表征功率半导体开关通过Miller电容对寄生导通的敏感性。使用在800 V总线电压和50 V / ns开关速度下工作的分立CoolSiC MOSFET所获得的测试结果表明，即使在高速两电平转换器中，0 V的关断栅极电压也是可行的。当查看开关电压仅为总线电压一半的三电平电路时，情况将完全缓解。在这种情况下，无论栅极电阻值如何，CoolSiC MOSFET实际上都没有电容性导通。

假设精心设计的PCB布局具有最小的栅极-漏极电容，英飞凌鼓励电力电子工程师以0 V的关断栅极电压运行分立的CoolSiC MOSFET。这可以简化栅极驱动设计，而不会降低性能。

 

关于作者

Klaus Sobe是Infineon Technologies Austria AG的应用工程师。奥地利Infineon Technologies AG是Infineon Technologies AG的集团子公司。能源效率，移动性和安全性是英飞凌通过其半导体和系统解决方案应对的全球主要挑战。无论是在汽车中，在智能手机中，在工业电子产品中，还是在借记卡和ID卡中-英飞凌奥地利公司的专有技术在许多日常应用中都可以找到。

(责任编辑：ioter)