【導(dǎo)讀】近年來，以SiCMOSFET 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件因其具有高開關(guān)頻率、高開關(guān)速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)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(guān)速度加快，橋式電路受寄生參數(shù)影響加劇，串?dāng)_現(xiàn)象更加嚴(yán)重。由于SiC MOSFET 正向閾值電壓與負向安全電壓較小，串?dāng)_問題引起的正負向電壓尖峰更容易造成開關(guān)管誤導(dǎo)通或柵源極擊穿，進而增加開關(guān)損耗，嚴(yán)重時損壞開關(guān)管，因此合適的串?dāng)_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(chǎn)生機理：
正負尖峰電壓主要有兩個地方產(chǎn)生，一個是由于Cgd的充放電產(chǎn)生的電流，另一個是驅(qū)動回路中共源的寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，兩者都會通過驅(qū)動回路影響到柵極電壓。Cgd引起的串?dāng)_電壓，主要是由于Cdu/dt的感應(yīng)電流流過驅(qū)動回路產(chǎn)生阻抗，因此減小門極驅(qū)動回路阻抗，串?dāng)_電壓幅值也會變小。而共源電感引起的串?dāng)_電壓，主要是電流變化在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓導(dǎo)致，外接驅(qū)動回路阻抗與Cgs串聯(lián)，驅(qū)動回路阻抗越大，Cgs分壓越小，所以產(chǎn)生的尖峰也會更小。所以電壓尖峰的產(chǎn)生是由于Cgd以及Ls共同導(dǎo)致的結(jié)果，且兩者產(chǎn)生的電壓尖峰與驅(qū)動電阻大小呈相反的關(guān)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(dǎo)，從而采取相應(yīng)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(guān)斷情況下，上管忽然導(dǎo)通，由于A點電壓急劇變化，會在驅(qū)動回路產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致下管Vgs電壓升高，當(dāng)此電壓高到一定程度，則有可能會發(fā)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(guān)斷的情況下，上管忽然關(guān)斷，A點電壓極劇變化，會使得電流通過下管Cgd流出，導(dǎo)致Vgs產(chǎn)生一個負壓尖峰。
目前市場上主要都是針對Cgd產(chǎn)生的尖峰進行抑制，包括減小驅(qū)動回路阻抗，在GS極并聯(lián)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(nèi)部電阻分壓減去Ls產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可以看出內(nèi)部電阻越大則測量到的門極電壓也會更大，所以評估串?dāng)_電壓大小需要綜合考慮MOS的內(nèi)部電阻大小。
圖一 串?dāng)_電壓產(chǎn)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(dǎo)致橋臂直通，所以很多工程師更多關(guān)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(chǎn)生影響，下述測試均采用雙脈沖的方式測試串?dāng)_電壓，重點關(guān)注的點如圖二所示，目前常用的七種串?dāng)_抑制方法如下并在圖三中標(biāo)注。
1、改變驅(qū)動電阻大?。ū疚闹袦y量的下管串?dāng)_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(qū)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(guān)注串?dāng)_電壓時刻
圖三 七種串?dāng)_抑制方法
本次采用派恩杰SiC MOSFET P3M12080K3進行串?dāng)_測試，分析上述方法對串?dāng)_影響的大小。P3M12080K3這個產(chǎn)品封裝是TO247-3，這種封裝相對來說串?dāng)_會更大，更便于觀察電路對串?dāng)_大小的調(diào)節(jié)效果。
表一為七種方法對串?dāng)_的影響測試結(jié)果
表一 七種串?dāng)_抑制方法測試結(jié)果
變Rg的串?dāng)_正壓如圖四所示：
圖四 變Rg串?dāng)_正壓測試結(jié)果
變Rg的串?dāng)_負壓如圖五所示：
圖五 變Rg串?dāng)_負壓測試結(jié)果
可以看出隨著Rg的逐漸增大，串?dāng)_正壓是逐漸降低的，而串?dāng)_負壓隨著Rg的變化無明顯改變。
變Cgs的串?dāng)_正壓如圖六所示：
圖六 變Cgs串?dāng)_正壓測試結(jié)果
變Cgs的串?dāng)_負壓如圖七所示：
圖七 變Cgs串?dāng)_負壓測試結(jié)果
可以看出：
1、只有當(dāng)外部Cgs大到一定程度，串?dāng)_電壓才能看到明顯的改善；
2、使用外部穩(wěn)壓管對串?dāng)_正壓基本沒有作用，對串?dāng)_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?dāng)_正壓和串?dāng)_負壓；
4、降低驅(qū)動負壓可以將串?dāng)_正壓同步拉低，但是串?dāng)_負壓會變得更大；
5、使用改進型的三極管鉗位電路對串?dāng)_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?dāng)_正壓改善作用不大，但是對串?dāng)_負壓有明顯的抑制作用。
綜合以上測試結(jié)果，我們可以對串?dāng)_抑制方法進行總結(jié)：
1、芯片門極米勒鉗位、改進型三極管鉗位電路、增大Rg對串?dāng)_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?dāng)_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(nèi)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(chǎn)品需要改善串?dāng)_，可以通過增大Rg去減小串?dāng)_正壓，但是器件開關(guān)損耗會增大，需要工程師自行平衡；對于新設(shè)計的產(chǎn)品，建議優(yōu)先選擇帶米勒鉗位的驅(qū)動芯片進行設(shè)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?dāng)_。
附錄為測試波形，如圖八、圖九、圖十。
圖八 未做任何串?dāng)_抑制措施
圖九 僅使用芯片米勒鉗位測試結(jié)果
圖十 使用改進型三極管鉗位電路測試結(jié)果
來源：三代半煉金術(shù)師
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