發布日期：2022-04-28 點擊率：58
【導讀】近年來，以SiCMOSFET 為代表的寬禁帶半導體器件因其具有高開關頻率、高開關速度、高熱導率等優點，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開關速度加快，橋式電路受寄生參數影響加劇，串擾現象更加嚴重。由于SiC MOSFET 正向閾值電壓與負向安全電壓較小，串擾問題引起的正負向電壓尖峰更容易造成開關管誤導通或柵源極擊穿，進而增加開關損耗，嚴重時損壞開關管，因此合適的串擾抑制方法對提高變換器工作可靠性、提升其功率密度具有重要意義。
產生機理：
正負尖峰電壓主要有兩個地方產生，一個是由于Cgd的充放電產生的電流，另一個是驅動回路中共源的寄生電感產生的感應電壓，兩者都會通過驅動回路影響到柵極電壓。Cgd引起的串擾電壓，主要是由于Cdu/dt的感應電流流過驅動回路產生阻抗，因此減小門極驅動回路阻抗，串擾電壓幅值也會變小。而共源電感引起的串擾電壓，主要是電流變化在電感兩端產生感應電壓導致，外接驅動回路阻抗與Cgs串聯，驅動回路阻抗越大，Cgs分壓越小，所以產生的尖峰也會更小。所以電壓尖峰的產生是由于Cgd以及Ls共同導致的結果，且兩者產生的電壓尖峰與驅動電阻大小呈相反的關系。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，從而采取相應措施，否則可能適得其反。
正壓尖峰：圖一所示半橋拓撲下，兩個MOS關斷情況下，上管忽然導通，由于A點電壓急劇變化，會在驅動回路產生壓降，導致下管Vgs電壓升高，當此電壓高到一定程度，則有可能會發生誤開通。
負壓尖峰：圖一所示半橋拓撲下，上管MOS開通，下管MOS關斷的情況下，上管忽然關斷，A點電壓極劇變化，會使得電流通過下管Cgd流出，導致Vgs產生一個負壓尖峰。
目前市場上主要都是針對Cgd產生的尖峰進行抑制，包括減小驅動回路阻抗，在GS極并聯外接電容等措施。
另外補充說明，外部測量到的門極電壓并不是真是加在MOS的GS極的電壓，圖一可以看出真實的門極電壓等于測試到的門極電壓減去內部電阻分壓減去Ls產生的感應電壓，可以看出內部電阻越大則測量到的門極電壓也會更大，所以評估串擾電壓大小需要綜合考慮MOS的內部電阻大小。
圖一 串擾電壓產生及測量誤差原理
本文針對市面上常用的尖峰抑制方法進行測試對比，由于正壓尖峰會導致橋臂直通，所以很多工程師更多關注正壓尖峰而忽視了負壓尖峰如果負壓尖峰長期處于較大的水平對器件壽命及可靠性都會產生影響，下述測試均采用雙脈沖的方式測試串擾電壓，重點關注的點如圖二所示，目前常用的七種串擾抑制方法如下并在圖三中標注。
1、改變驅動電阻大小（本文中測量的下管串擾電壓，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、改變驅動負壓
6、改進型三極管鉗位電路
7、正負壓二極管鉗位電路
圖二 重點關注串擾電壓時刻
圖三 七種串擾抑制方法
本次采用派恩杰SiC MOSFET P3M12080K3進行串擾測試，分析上述方法對串擾影響的大小。P3M12080K3這個產品封裝是TO247-3，這種封裝相對來說串擾會更大，更便于觀察電路對串擾大小的調節效果。
表一為七種方法對串擾的影響測試結果
表一 七種串擾抑制方法測試結果
變Rg的串擾正壓如圖四所示：
圖四 變Rg串擾正壓測試結果
變Rg的串擾負壓如圖五所示：
圖五 變Rg串擾負壓測試結果
可以看出隨著Rg的逐漸增大，串擾正壓是逐漸降低的，而串擾負壓隨著Rg的變化無明顯改變。
變Cgs的串擾正壓如圖六所示：
圖六 變Cgs串擾正壓測試結果
變Cgs的串擾負壓如圖七所示：
圖七 變Cgs串擾負壓測試結果
可以看出：
1、只有當外部Cgs大到一定程度，串擾電壓才能看到明顯的改善；
2、使用外部穩壓管對串擾正壓基本沒有作用，對串擾負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擾正壓和串擾負壓；
4、降低驅動負壓可以將串擾正壓同步拉低，但是串擾負壓會變得更大；
5、使用改進型的三極管鉗位電路對串擾正負壓都有非常明顯的抑制作用；
6、使用二極管鉗電路對串擾正壓改善作用不大，但是對串擾負壓有明顯的抑制作用。
綜合以上測試結果，我們可以對串擾抑制方法進行總結：
1、芯片門極米勒鉗位、改進型三極管鉗位電路、增大Rg對串擾正壓都有明顯的改善作用；
2、芯片門極米勒鉗位、改進型三極管鉗位電路、二極管鉗位電路對串擾負壓有明顯的改善作用，其中芯片門極米勒鉗位和二極管鉗位電路原理一樣，芯片門極米勒鉗位是通過內部MOS的寄生二極管接到VEE起到了鉗位作用；
3、對于定型的產品需要改善串擾，可以通過增大Rg去減小串擾正壓，但是器件開關損耗會增大，需要工程師自行平衡；對于新設計的產品，建議優先選擇帶米勒鉗位的驅動芯片進行設計，如芯片不帶米勒鉗位建議選擇改進型三級管鉗位電路抑制串擾。
附錄為測試波形，如圖八、圖九、圖十。
圖八 未做任何串擾抑制措施
圖九 僅使用芯片米勒鉗位測試結果
圖十 使用改進型三極管鉗位電路測試結果
來源：三代半煉金術師
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