轻松驱动CoolSiC™ MOSFET：栅极驱动规划攻略

由米勒电容引起的寄生导通效应，常被认为是当今碳化硅MOSFET运用的一大缺陷。为了避免这种效应，在硬开关变流器的栅极驱动规划中，一般选用负栅极电压关断。可是这关于CoolSiC™ MOSFET真的有必要吗？

导言

挑选恰当的栅极电压值是规划一切栅极驱动的要害。凭借英飞凌的CoolSiC MOSFET技能，规划人员可以挑选介于15-18 V之间的注册栅极电压，然后让开关具有最佳的载流才能或抗短路才能。而栅极关断电压值只需求确保器材可以安全地关断。英飞凌主张规划人员将MOSFET分立器材的关断电压定为0 V，然后完成栅极驱动电路的简化。

为此，本文将介绍一种易于重现的办法来表征碳化硅MOSFET的敏感性，并陈述运用CoolSiC^™ MOSFET分立器材取得的实验成果。

图1：米勒电容CGD在体二极管关断期间的影响。

寄生导通效应

栅极的电感和电容反应或许导致半导体开关意外导通。但假如运用了碳化硅MOSFET，一般考虑的是由米勒电容引起的电容反应。图1便解说了这种效应。下管开关S₂的体二极管续流负载电流I_L，直至上管开关S₁导通。当负载电流换向到S₁后，S₂的漏源极电压开端上升。在本阶段，不断上升的漏极电位可通过米勒电容C_GD拉高S₂的栅极电压。栅极关断电阻企图抵消并拉低电压。假如该电阻的电阻值不足以拉低电压，则电压或许超出阈值水平，然后导致上下管直通，添加开关损耗。

直通现象的风险和严峻程度一般取决于特定的运转条件和丈量硬件。最风险的运转条件是母线电压高、电压急剧上升和结温高。这些条件不只导致栅极电压更大起伏地上升，还会下降阈值水平。在硬件方面，最主要的影响要素包含与C_GD平行的电路板寄生电容、与C_GS平行的外部电容、栅极关断电压以及栅极关断电阻。

图2：用于特性测验的硬件装备：上管开关S1作为“dv/dt发生器”，下管开关S₂作为受试器材。实验意图是找到可以避免寄生导通的S₂最大栅极关断电阻。

特性测验渠道搭建和办法

规划人员常常研讨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。这种办法尽管满足简略直观（只需大致检查数据表即可），但并不能针对特定运用得出真实有用的定论。其一大缺陷在于，栅极电荷在本质上是静态的，而寄生导通明显是动态效应。因而，有必要展开专门的特性表征实验，以在实践运用条件下，评价1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET在TO-247 3引脚和4引脚封装中的寄生导通特性。一切实验均在栅极关断电压为0 V的条件下展开。

半桥评价板的装备如图2所示。它本质上归于换向单元，其间下管开关为被测器材，而上管开关用作dv/dt发生器。当上管器材导通时，下管器材的漏源极电压不断上升，导致发生栅极电压d_vDS/dt；而且，栅极关断电阻越小，发生寄生导通的概率越低。本实验旨在为给定的测验用例找到临界栅极关断电阻值。这种所谓的临界栅极电阻是指，比较用0 Ω栅极电阻取得的基准波形，导致Q*rr增大10%的电阻值。10%的阈值足以使咱们取得牢靠的丈量数据，但一起也满足小，在大多数运用中可忽略不计（参见图3）。

本文在不同温度、不同负载电流和不同电压斜率下展开实验。后者运用上管开关S₁的RG_on进行调整。

图3：在100°C下且R_Goff值不一起，1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET的波形示例。比较基准波形（黑色，0 Ω），其它波形的Q*rr别离增大10%（橙色；12 Ω）和40%（赤色；22 Ω）。

符号Q*rr表明以下三种电荷量之和：（1）体二极管的反向康复电荷；（2）半导体器材、布局和无源器材的容性电荷，以及（3）由寄生导通发生的电荷。

特性测验成果成果

在零负载电流下进行测验意味着，被测器材的体二极管在开关动作之前没有正向偏压。未呈现二极管康复；瞬态动作仅仅是电容的充放电。在这种状况下，寄生电感中感应的电压效果不大。因而，TO-247和TO-247-4引脚封装的功用是相同的。

图4概述了在电压800 V、电流0 A的条件下取得的丈量成果。很明显，为避免呈现寄生导通，需求更小的R_Goff，d_vDS/dt越大，温度就越高。值得一提的是，即便在50 V/ns和175°C的条件下，0 V的栅极关断电压也足以避免寄生导通。假如无法挑选满足小的R_Goff，则可以运用具有源米勒钳位功用的驱动（如1EDC30I12MH）。

在较高的负载电流条件下，呈现了从S₂的体二极管到S₁的MOS沟道的硬换流。因为存在二极管反向康复和感应电压，状况较为杂乱。简言之，有三种效应发挥效果：

1. 体二极管康复使均匀dv_DS/dt变慢，缓解了寄生导通。

2. 换流回路电感和器材输出电容之间的振动会部分添加dv_DS/dt，使状况愈加严峻。

3. 假定选用规范TO-247封装，S₂的通用源极端子的负反应导致栅极电压下降，添加了抗寄生导通的强度。

明显，上述效应的权重取决于实践的硬件装备。在运用运用于本文所述的一切实验的评价板时，175°C和0 A是最要害的条件。因而，图4杰出显现的无寄生导通的区域也适用于40 A丈量——不管是TO-247封装仍是TO-247-4引脚封装。

图4：被测的1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET临界栅极电阻值与d_vDS/dt的函数联系。丈量成果是运用0 V的栅极关断电压在800 V和0 A下取得的。虚线表明核算的趋势线。

对高速开关运用的影响

如图3所示，由电容导通引起的直通电流和体二极管的反向康复电流很难区别开来。这两种效应都能推迟或平缓瞬态电压，并导致二极管侧和开关侧的开关损耗的添加。在要求开关速度最快的运用中，寄生导通就如不合适的续流二极管相同，会对开关功用形成约束。

图5所示为不同的碳化硅MOSFET技能在栅极电压18/0 V的条件下运转时能完成的最小注册损耗。尽管不是一切器材都能在这样的驱动条件下坚持快速开关的特性，但成果证明CoolSiC MOSFET对寄生导通具有很高的抗扰度。

图5：在800 V、15 A和150°C时，不同1200 V碳化硅MOSFET技能能完成的最小导通开关损耗。

被测器材的标称通态电阻为60-80 mΩ，在栅极电压18/0 V和栅极电阻4.7 Ω的条件下运转。为便于比较，还显现了驱动电压为18/-5 V时CoolSiC MOSFET的开关损耗。

定论

本文介绍了一种简略的办法，来表征功率半导体开关对由米勒电容引起的寄生导通的敏感性。咱们运用CoolSiC MOSFET分立器材在800 V的母线电压和50 V/ns的开关速度下进行实验，成果表明，即便关于高速两电平变流器而言，0 V的栅极关断电压也是可行的。在研讨开关电压仅为总线电压一半的三电平电路时，状况得到完全缓解。在这种状况下，不管栅极电阻值是多少，CoolSiC MOSFET简直都没有寄生导通。

假定有一个杰出规划的、栅漏极电容极低的PCB布局，这时英飞凌鼓舞电力电子工程师运用0 V的栅极关断电压来操作CoolSiC MOSFET分立器材。这有助于简化栅极驱动的规划，一起确保功用不受影响。

参考文献

^[1] K. Sobe et al, “Characterization of the parasitic turn-on behavior of discrete CoolSiC™ MOSFETs”, PCIM Europe 2019, Nuremberg, Germany, May 2018

^[2] T. Basler et al, “Practical Aspects and Body Diode Robustness of a 1200 V SiC Trench MOSFET”, PCIM Europe 2018, Nuremberg, Germany, June 2018

^[3] Infineon AN-2006-01: “Driving IGBTs with unipolar gate voltage”, Application Note, December 2005

^[4] S. Jahdi et al, “Investigation of parasitic turn-ON in silicon IGBT and Silicon Carbide MOSFET devices: A technology evaluation”, ECCE-Europe 2015, Geneva, Switzerland, September 2015

^[5] Infineon AN-2017-44: “1200V Highspeed3 IGBT in TO-247PLUS Evaluation Board”, Application Note (rev 1), November 2017