SiC MOSFET模塊串?dāng)_應(yīng)用對策

作者：劉敏安1,2，羅海輝1,2，盧圣文1,2，王 旭1,2，李 誠1,2（1.株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司；2.功率半導(dǎo)體與集成技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘 要：針對SiC MOSFET模塊應(yīng)用過程中出現(xiàn)的串?dāng)_問題，文章首先對3種測量差分探頭的參數(shù)和測量波形進(jìn)行對比，有效減小測量誤差；然后詳細(xì)分析串?dāng)_引起模塊柵源極出現(xiàn)電壓正向抬升和負(fù)向峰值過大的原因，并提出3種有效應(yīng)用對策：減小柵極阻抗、采用有源米勒箝位和三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路。其中，減小柵極阻抗可減小感應(yīng)壓降，抑制柵源極過壓；有源米勒箝位技術(shù)使柵源極電壓串?dāng)_波形幅值限制在箝位電壓范圍；利用三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路技術(shù)，顯著抑制了柵源極電壓的正向抬升和負(fù)向峰值，最后通過試驗(yàn)仿真驗(yàn)證了3種方法的有效性。

關(guān)鍵詞：串?dāng)_問題；柵源極電壓；柵極阻抗；有源米勒箝位；三級關(guān)斷電平驅(qū)動技術(shù)

0　引言

Si （Silicon） 基IGBT （Insulated Gate Bipolar Tran‐ sistor） 是由雙極型三極管 （Bipolar Junction Transistor， BJT） 和絕緣柵型場效應(yīng)管 （Metal Oxide Semiconduc‐ tor，MOS） 組成的復(fù)合全控型器件，綜合了兩種器件 的優(yōu)點(diǎn)，并采用電壓控制器件開關(guān)，驅(qū)動功率小且飽和壓降低，適用于軌道交通、電網(wǎng)、汽車和新能源等變流領(lǐng)域。相比較于Si材料，SiC（Silicon Carbide）具 有更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿場強(qiáng)和電子飽和漂移速度等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在單極型模塊SiC MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 中可使其開關(guān)損耗更低，在高溫、大功率和高頻率的嚴(yán) 苛條件下也能正常工作[1] 。

SiC MOSFET模塊目前廣泛運(yùn)用于新能源汽車逆變器、車載充電、光伏、風(fēng)電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域[2-9] ，展示了新技術(shù)的優(yōu)良特性。但 SiC MOSFET 模塊的高頻化和高開關(guān)速度，引發(fā)了新的應(yīng)用問題，即串?dāng)_問題， 對SiC MOSFET模塊應(yīng)用造成影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致SiC MOSFET模塊無法正常工作。

串?dāng)_問題是指在半橋電路中，SiC MOSFET模塊開 關(guān)動作引起另一個 SiC MOSFET 模塊開關(guān)的柵源極電 壓波動的問題，分為正向串?dāng)_和負(fù)向串?dāng)_。以1200 V/ 600A SiC MOSFET為例，柵極開通控制電壓為+15 V， 柵極關(guān)斷電壓為-5 V。當(dāng)半橋電路發(fā)生正向串?dāng)_時， 上橋臂SiC MOSFET（以下簡稱“上管”）的柵極電壓 由-5 V升高至+15 V，上管開通過程會引起下橋臂SiC MOSFET （以下簡稱“下管”） 的柵極電壓從-5 V向 0 V方向升高，即正向抬升，若正向抬升超過下管柵極 閾值將導(dǎo)致誤開通，造成上下管短路。當(dāng)發(fā)生負(fù)向串 擾時，上管柵極由+15 V降低為-5 V，上管關(guān)斷過程則 引起下管柵極電壓從-5 V向更低負(fù)壓方向變化，即負(fù) 向增大，若負(fù)向增大超過下管柵極負(fù)壓耐受極限將會 導(dǎo)致柵極擊穿，從而造成器件失效。

目前國內(nèi)外學(xué)者對串?dāng)_問題的研究非常廣泛且深 入。文獻(xiàn)[10]分析了 SiC MOSFET在無線充電系統(tǒng)中的 串?dāng)_，發(fā)現(xiàn)在該系統(tǒng)中僅存在負(fù)向串?dāng)_，無正向串?dāng)_。文獻(xiàn)[11]研究了SiC MOSFET柵源回路參數(shù)對串?dāng)_問題 的影響，發(fā)現(xiàn)串?dāng)_擾動隨橋臂自身驅(qū)動電阻和雜散電 感的增大而增大，隨著柵極電容的增大而減少，分析得出影響串?dāng)_的因素主要是柵源回路參數(shù)。文獻(xiàn)[12]針 對抑制串?dāng)_策略，開展了基于驅(qū)動IC芯片的柵極有源 嵌位技術(shù)研究，取得較好效果。文獻(xiàn)[13]提出在柵極諧 振輔助電路增加三級驅(qū)動技術(shù)，既能抑制正向串?dāng)_和負(fù)向串?dāng)_，又能降低開關(guān)損耗。

綜上所述，現(xiàn)有學(xué)者對 SiC MOSFET 模塊的串?dāng)_ 問題已做了大量研究。串?dāng)_的發(fā)生與應(yīng)用電路、驅(qū)動 技術(shù)和 SiC MOSFET 型號等都有關(guān)聯(lián)，對應(yīng)不同的應(yīng) 用場景和SiC MOSFET型號，會出現(xiàn)不同程度的串?dāng)_。本文選取 1200 V/600A SiC MOSFET 為研究對象，針對串?dāng)_問題提出3種應(yīng)對策略：串?dāng)_影響程度較輕時， 通過減少柵極阻抗的方式抑制串?dāng)_，該方法簡單且成本低；當(dāng)串?dāng)_影響程度較嚴(yán)重時，如減少柵極阻抗未 能有效抑制串?dāng)_問題，可采用有源米勒箝位 （AMC） 技術(shù)，限制柵源極電壓串?dāng)_波形幅值；在串?dāng)_特別嚴(yán)重工況下，上述兩種方法有可能失效，則可增加?xùn)旁措妷?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬檢測電路，結(jié)合三級關(guān)斷驅(qū)動技術(shù)應(yīng)對串?dāng)_問題。

1　原理分析

1.1　測量探頭對比分析串?dāng)_

現(xiàn)象客觀存在，而測量誤差會對串?dāng)_問題研究造成嚴(yán)重的干擾影響。為保證測量電路參數(shù)波形的準(zhǔn)確性，本文對測量使用的差分探頭進(jìn)行分析，通過對比實(shí)測數(shù)據(jù)，有效減小測量誤差。

半橋電路中SiC MOSFET模塊的漏源極電壓Vds和柵源極電壓Vgs均采用高壓差分探頭[14]測量，被測信號經(jīng)過差分信號端電感、衰減器、緩沖器、差分放大器和無損傳輸線等環(huán)節(jié)，連接到示波器，如圖 1 所示。SiC MOSFET模塊在高頻高壓下工作時，測試電壓探頭需考慮帶寬、共模抑制比等參數(shù)。探頭帶寬是指探頭測量輸出波形幅值下降到被測波形正弦波幅值 70.7%（-3 dB=20 lg 0.707） 的頻率，即當(dāng)被測正弦波的頻率等于示波器帶寬時，幅值測量誤差大約為 30%。對于漏源極電壓Vds和柵源極電壓Vgs，30%測量誤差過大無法準(zhǔn)確分析串?dāng)_問題。因此，探頭帶寬需遠(yuǎn)大于被測波形的頻率，帶寬越大，則能測到更寬的高頻諧波，越接近真實(shí)波形。同時差分探頭線選擇較短的雙絞線、使線路等效電感L1 +和L1 -盡量小。

共模抑制比Kcmrr是指差分探頭在測量中抑制兩個測試點(diǎn)共模信號的能力。共模信號即對地干擾信號，因此探頭的差分放大電路抑制共模信號的能力越強(qiáng)，測量波形越接近真實(shí)值，其公式為 Kcmrr = | Ad Ac |，其中Ad為差分信號的電壓增益，Ac為共模信號的電壓增益。Ad值越大說明差分信號增益越大，共模信號相對越小，測量值越接近真實(shí)波形。

數(shù)字示波器組成如圖 2 所示，進(jìn)入示波器[15]的信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路、采集控制電路和信號處理等環(huán)節(jié)，最后顯示為波形。測試高頻高壓下的信號，需考慮示波器的帶寬、采樣率、存儲深度等參數(shù)影響。與差分探頭一樣，示波器帶寬不夠，也無法捕獲準(zhǔn)確的電壓波形。示波器將采集到的波形存儲到內(nèi)存區(qū)進(jìn)行計(jì)算和處理，內(nèi)存區(qū)容量即存儲深度為固定值。示波器每幀波形的時間長度是人為調(diào)節(jié)設(shè)定的，當(dāng)時間長度設(shè)定后，采樣率為存儲深度與時間長度的比值。測量 SiC MOSFET 模塊瞬態(tài)高頻高壓信號時，采樣率盡可能高才能確保測試準(zhǔn)確，因此，每幀波形的時間長度不能設(shè)定太大，存儲深度過小都會導(dǎo)致采樣率降低，引起較大測量誤差。

常用的3種探頭有：高壓差分探頭P5200A，高壓差分探頭BUMBLEBEE-PS02和光隔探頭，對3種探頭的參數(shù)進(jìn)行對比分析，如表1所示。由表1可知，光隔探頭 TIVP1 的帶寬和共模抑制比參數(shù)性能遠(yuǎn)大于高壓差分探頭P5200A和BUMBLEBEE-PS02。

為了對比 3 種探頭的測試效果，搭配 Tek MSO58示波器測試 SiC MOSFET 模塊串?dāng)_波形。Tek MSO58示波器的帶寬為2 GHz，存儲深度為125 M，采樣率為6.25 GS/s，每幀波形的時間長度為20 ms。3種探頭測量 SiC MOSFET 模塊的柵源極電壓 Vgs波形對比如圖3所示。圖3(a)為串?dāng)_開通過程，模塊內(nèi)測試管的漏源極電壓 Vds 從 800 V 下降至 0 V，測試管漏源極電流 Ids 從0 A逐漸上升到最大值；圖3(b)為串?dāng)_關(guān)斷過程。由圖3可知，采用光隔探頭TIVP1測量的柵源極電壓Vgs波形抗干擾性強(qiáng)，采樣精度高，遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種探頭。因此精準(zhǔn)測量 SiC MOSFET 模塊串?dāng)_波形推薦光隔探頭TIVP1。

1.2　串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)制

典型逆變電路如圖4所示，它有3組半橋電路，每個半橋電路由上橋臂和下橋臂組成。上、下橋臂的SiCMOSFET模塊不能同時開通，必須為互補(bǔ)的高速開關(guān)切換狀態(tài)，每秒鐘將完成上萬次或更高次開關(guān)動作，這會造成模塊的漏極和源極之間產(chǎn)生較大 dVds dt，將導(dǎo)致模塊柵極和源極間的電壓具有較大的尖峰。

SiC MOSFET模塊的開通過程如圖5所示，對其柵源極電壓的正向抬升進(jìn)行分析。當(dāng)上橋臂模塊開通時，推挽開關(guān)Q1L斷開，推挽開關(guān)Q2L閉合，下橋臂模塊的二極管進(jìn)行反向恢復(fù)動作，漏源間電壓Vds逐步開始增加，dVds dt大于0。反向傳輸電容 （也稱米勒電容）Cgd上的位移電流Ig從漏極經(jīng)柵極注入到門極電路。Lg為柵極引線雜感，位移電流Ig流過Lg后，由楞次定律可知，產(chǎn)生左負(fù)右正的感應(yīng)電動勢VLg，此時柵源間電壓為

SiC MOSFET模塊的關(guān)斷過程如圖6所示，同樣對其柵源極電壓的負(fù)向增大現(xiàn)象進(jìn)行分析。當(dāng)上橋臂模塊關(guān)斷時，Q1L 斷開，Q2L 閉合，下橋臂模塊的二極管進(jìn)行正向續(xù)流動作，漏源間電壓 Vds 開始下降，dVds dt小于0。反向傳輸電容Cgd上的位移電流則從柵極到漏極。位移電流 Ig 流過 Lg后，由楞次定律可知，產(chǎn)生左正右負(fù)的感應(yīng)電動勢VLg，此時柵源間電壓Vgs =-V2 -(VLg + VR2 )。因此，當(dāng)上橋臂模塊關(guān)斷時，下橋臂模塊的柵源極電壓會在 -V2 的基礎(chǔ)上負(fù)向疊加增大VLg + VR2。

由于 SiC MOSFET 模塊柵源極之間的正向閾值電壓較低，正向電壓抬升易造成功率模塊誤導(dǎo)通，從而使得上下橋臂直通，而直通電流將造成模塊短路損壞。另外，過大的電壓負(fù)向峰值使 SiC MOSFET 功率模塊的門極柵氧層承受較大的電壓應(yīng)力，加速其退化，甚至損壞。

2　應(yīng)對策略

2.1　減小柵極阻抗

從串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)制可知，柵極引線阻抗和位移電流是造成柵源極電壓正向抬升和負(fù)向增大的直接因素，減小柵極引線阻抗和位移電流，則能抑制串?dāng)_引起的柵源極電壓變化幅值。柵極引線阻抗包含驅(qū)動輸出電路阻抗和 SiC MOSFET 模塊內(nèi)部柵極引線端子阻抗。由于減小 SiC MOSFET 模塊內(nèi)的柵極阻抗可能會引起模塊開關(guān)速度變化，對模塊器件的開關(guān)動態(tài)損耗和過電壓值有一定影響，通過調(diào)整柵極電容，可有效折中電參數(shù)。因此重點(diǎn)在驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中考慮減小輸出電路阻抗。本文對比分析了兩種MOSFET內(nèi)阻的驅(qū)動集成電路 （Integrated Circuit，IC ） 串?dāng)_測試數(shù)據(jù)，如圖8所示。第一種MOSFET內(nèi)阻為500 mΩ，對應(yīng)的驅(qū)動集成電路型號是NXP GD3100，圖中 Vgs3100表示其柵源極電壓；第二種 MOSFET 內(nèi)阻為 15 mΩ，對應(yīng)的驅(qū)動集成電路型號是ROHM BM6104FV，圖中Vgs6104表示其柵源極電壓。由圖 8 可知，驅(qū)動集成電路ROHM BM6104FV對應(yīng)的內(nèi)阻更小，相較于驅(qū)動電路NXP GD3100受到的串?dāng)_影響也降低。

2.2　采用有源米勒箝位AMC（active miller clamp）

在逆變半橋電路中，由于米勒電容 Cgd 的存在，串?dāng)_會引起柵源極電壓 Vgs 波動，而有源米勒箝位AMC 技術(shù)[16-17]可抑制柵源極電壓 Vgs 波動，有效防止SiC MOSFET模塊橋臂直通。圖9為BM6104FV-C米勒箝位功能示意圖，引腳VCC2為正電源，引腳OUT1H為 驅(qū) 動 電 源 ， 引 腳 PROOUT 為 Vgs 檢 測 腳 ， 引 腳VREG 為米勒箝位電源，引腳 VEE2 為負(fù)電源，引腳OUT2 控制外部 MOS 開關(guān)。在 SiC MOSFET 模塊關(guān)斷期間，此時驅(qū)動電源 OUT1H 為低電平，通過 PRO‐OUT 端實(shí)時監(jiān)測柵源極電壓 Vgs，如 Vgs 小于保護(hù)閾值2 V，則OUT2端輸出高電平，外部MOS開關(guān)將導(dǎo)通，柵極電位箝位至 VEE2，柵源極形成低阻抗回路，米勒電流通過 VEE2 被完全吸收，不會流經(jīng)柵極電阻形成米勒電流泄放回路。在SiC MOSFET模塊導(dǎo)通期間，此時驅(qū)動電源 OUT1H 為高電平，監(jiān)測到 Vgs 大于保護(hù)閾值時，則外部MOS開關(guān)將斷開，避免電源短路。引腳 VREG 和 VEE2 之間連接電容，能有效抑制柵源極電壓波動。

有源米勒AMC箝位波形如圖10所示，下管開通期間串?dāng)_引起的上管柵源極電壓峰值 Vgs_peak=-2.2 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0 V；下管關(guān)斷期間串?dāng)_引起的上管柵源極電壓峰值 Vgs_peak=-5.2 V，此時未出現(xiàn)大的負(fù)向峰值電壓。因此在開通和關(guān)斷情況下都起到了較好箝位效果。

2.3　采用三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路

模塊門極關(guān)斷期間柵源極電壓Vgs為-4 V，串?dāng)_發(fā)生時會引起Vgs抬升，若采用三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路檢測柵源極電壓，當(dāng)Vgs超過設(shè)定閾值，抑制電路可將Vgs直接拉低到-4 V，抑制其正向抬升；當(dāng)串?dāng)_引起過大的電壓負(fù)向峰值時，三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路可將Vgs拉升到0 V，抑制柵源極出現(xiàn)較大的電壓負(fù)向峰值，從而保護(hù)柵極。圖11為抑制串?dāng)_驅(qū)動電路的上下橋臂Vds和Vgs工作波形。Vgs （上橋臂） 包含3種電平，+15 V，0 V和-4 V。當(dāng)Vgs（上橋臂）為+15 V時，SiC MOSFET模塊為開通狀態(tài)；當(dāng) Vgs （上橋臂） 為 0 V 和-4 V 時，SiCMOSFET模塊為關(guān)斷狀態(tài)。為驗(yàn)證上述方法的有效性，搭建了三級關(guān)斷串?dāng)_抑制電路的PSPICE半橋斬波電路模型，如圖12所示。

圖13為下橋臂SiC MOSFET Vgs和Vds的仿真波形。圖 13(a)為未增加串?dāng)_抑制電路時的相關(guān)波形，此時SiC MOSFET柵源極電壓Vgs在關(guān)斷期間抬升約為+2 V，可能會誤觸發(fā) SiC MOSFET 開通造成短路，而最大電壓負(fù)向峰值約為-12 V，易損傷SiC MOSFET柵源極造成器件失效。圖13(b)為模塊驅(qū)動電路增加了串?dāng)_抑制措施時的相關(guān)波形，此時SiC MOSFET柵源極電壓Vgs在關(guān)斷期間抬升電壓最大約為-4 V，基本沒有抬升，電壓最大負(fù)向峰值約為-8 V?？梢?，增加串?dāng)_抑制電路后，柵源極電壓的負(fù)向電壓和正向抬升都明顯改善。

3　結(jié)語

針對 SiC MOSFET 模塊應(yīng)用中出現(xiàn)的串?dāng)_問題，本文對測量使用的差分探頭進(jìn)行了詳細(xì)對比，由結(jié)果可知采用高帶寬和高采樣率的示波器和差分探頭可測量得到準(zhǔn)確的信號波形。同時分析了串?dāng)_問題的產(chǎn)生機(jī)制，正dVds dt在反向傳輸電容上產(chǎn)生流向驅(qū)動側(cè)的位移電流，在柵極阻抗引起正向感應(yīng)電壓，疊加在柵源極上會引起柵源極電壓抬升；而負(fù)dVds dt在反向傳輸電容上產(chǎn)生流向模塊側(cè)的位移電流，在柵極阻抗引起負(fù)向感應(yīng)電壓，造成柵源極出現(xiàn)過大的電壓負(fù)向峰值。為解決串?dāng)_問題，本文提出了3種有效應(yīng)用對策：①減小柵極引線阻抗，從而減小阻抗上的感應(yīng)壓降，抑制柵源極過壓；②采用有源米勒箝位技術(shù)，泄放位移電流，有效保護(hù) SiC MOSFET 模塊；③通過三級關(guān)斷串?dāng)_抑制技術(shù)改善柵極驅(qū)動波形，有效抑制過大的電壓正向抬升和負(fù)向電壓。

審核編輯：黃飛

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