【背景】高频、高速开关是碳化硅(SiC) MOSFET的重要优势之一,这能显著提升系统效率,但也会在寄生电感和电容上产生更大的振荡,从而让驱动电压产生更大的尖峰。
驱动电压尖峰会对系统有诸多不良影响。首先,驱动电压尖峰若超出SiC MOSFET的安全驱动电压范围,可能引发器件误开关,甚至损坏器件。其次,尖峰电压可能产生电磁干扰,影响系统EMC指标。最后,驱动电压尖峰带来的高频震荡还会导致电流波形不稳定,从而影响系统的性能和稳定。
因此,设计可靠的驱动电路来抑制的驱动电压尖峰,成为发挥SiC MOSFET优势特性的关键课题。为此,我们首先测试复现驱动尖峰波形并分析原因,然后采取相应措施来抑制尖峰。
本篇主要讲解第一部分:驱动电压尖峰复现与分析。
双脉冲测试方法与设备
瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法,来复现SiC MOSFET的开关过程中驱动电压尖峰,以便分析原因和采取对策。在双脉冲测试电路中,Q1和Q2为瞻芯电子1200V 80mΩ SiC MOSFET(IV1Q12080T3/T4),下管Q2始终保持关断,上管Q1则进行开关动作。当上管Q1开通时电流路径为红色实线,当上管Q1关断时电流路径为红色虚线,如下图:
以上测试中,通过开关上管Q1,来测试下管Q2寄生电感和米勒效应造成的驱动电压尖峰,示意图如下:
为了消除PCB板的寄生参数对测试波形的影响,瞻芯电子针对2种封装:TO247-3和TO247-4,分别制作了2块双脉冲测试板,如下图:
具体的测试设备配置如下,包括信号发生器、直流电源、负载电感、示波器以及高带宽的非隔离探头或光隔离探头,其中非隔离探头采用最小接地环,从而取得更准确的测试结果。
驱动电压尖峰复现
1、用0V关断电压时的参考电路与波形
如果无抑制尖峰措施,则驱动电路如下:
当关闭上管Q1的过程中,测试下管Q2的栅极(Gate)和源极(Source)引脚之间的电压(Vgs),出现较大的驱动电压(Vgs)负尖峰(-4.9V)和正尖峰震荡,波形图如下:
该负压尖峰按不同成因分为两段:第一段是当Vds下降过程中dv/dt较大,因米勒电容放电,放电电流在Rg上产生压降,而让Vgs产生下拉负尖峰;第二段在Vds下降到0V后,Vgs出现负尖峰和正尖峰震荡,这是体二极管续流的di/dt在源极引脚的寄生电感产生。
2、用-3.5V关断电压时的参考电路与波形
瞻芯电子的SiC MOSFET推荐关断负压范围是-3.5V~-2V,这里选择最低值-3.5V电压关断,来测试串扰引发的尖峰,如下图:
当上管Q1关断时,如下波形图所示:绿色的Vds降低到0V过程中,蓝色的下管Q2的Vgs因Q2的米勒电容Cgd放电,进而在驱动电阻Rg上产生压降,即为测试波形中-3.5V下方的负尖峰。在Vds下降到0V后,下管Q2的Vgs又因源极寄生电感和di/dt,而产生更低的负尖峰和正尖峰震荡。
当上管Q1开通时,波形图如下,在绿色Vds为0V的阶段,蓝色的下管Q2的驱动电压Vgs因体二极管电流转移和反向恢复,而在源极寄生电感上产生较大正尖峰(2.58V)和震荡。在Vds上升的阶段,Vgs尖峰主要由Cgs与寄生电感导致的震荡。
综合上述分析,串扰尖峰主要有2方面原因:1、高dv/dt时的米勒效应,2、高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。
2、开盖测试SiC MOSFET驱动电压
因为SiC MOSFET的驱动电压尖峰的主因之一是驱动回路里的MOSFET 源极电感,所以针对TO247-3封装器件,如果要得到更真实的管芯驱动波形,可去掉器件的塑封材料,直接从芯片上测试驱动电压,可对比呈现引脚上和管芯上的驱动波形差异。
其中VG_LS是测源极引脚与栅极引脚之间的电压;VG_LS_K是测管芯源极与栅极之间的电压,测试点如下:
测试中,下管Q2保持关断,上管Q1进行开关动作,过程如下图:
在上管Q1初次开通时(1st Rising),如下波形图所示:虽然从引脚测试VG_LS有较大正尖峰及震荡,但蓝色的管芯VG_LS_K显示驱动电压波动很小,几乎没有明显尖峰,比较安全。
在上管Q1初次关断时(1st Falling),如下波形图所示:虽然从引脚测得绿色的VG_LS则有较大的负尖峰及震荡,但管芯上VG_LS_K几乎没有负压尖峰,但有正尖峰,与VG_LS的差异较大。
上管关断后,电感电流通过下管的体二极管续流,在下管的源极电感上产生 下正上负的自感电动势,由于VG_LS测量的是引脚上的电压,因此VG_LS会下降,产生负尖峰。而VG_LS_K测的是管芯上的电压,自感电动势会对Cgs充电使VG_LS_K抬升。因此会看到引脚与管芯上的电压呈现相反的尖峰波形。
在上管Q1第二次开通时(2nd Rising ),如下波形图所示: 管芯VG_LS_K没有正尖峰,但有平缓的负尖峰,这是由于di/dt在源极引脚电感储存的能量给下管Q2栅极电容充电导致的。
为了呈现不同长度的管脚寄生电感的影响,在第二次开通上管Q1时采样,分别从长/短源极管脚去测试驱动电压Vgs,2个波形如下图:
当用较长的源极引脚测试时,管芯真实驱动电压有更大的过冲和震荡,已经超过SiC MOSFET阈值电压(Vth),导致下管Q2误开通和Vds震荡,如上图。
小结
1、驱动串扰尖峰的原因主要有2点:
1)高dv/dt时的米勒电效应;
2)高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。
2、SiC MOSFET管芯的真实驱动电压,与TO247-3引脚测到的驱动电压可能呈现相反的尖峰波形。
3、若管脚测到超规格的驱动波形,可进一步确认管芯的真实驱动电压;
4、若从长引脚测得较大Vds震荡,可能器件有误开通,甚至损坏器件。
5、建议驱动路径尽量靠近器件引脚根部,规避长引脚的寄生电感。
下一篇,我们将进一步讲解驱动电压尖峰的抑制方法。