輕松驅(qū)動CoolSiC? MOSFET:柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)指南
由米勒電容引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng),常被認(rèn)為是當(dāng)今碳化硅MOSFET應(yīng)用的一大缺陷。為了避免這種效應(yīng),在硬開關(guān)變流器的柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)中,通常采用負(fù)柵極電壓關(guān)斷。但是這對于CoolSiC? MOSFET真的有必要嗎?
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選擇適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/柵極電壓">柵極電壓值是設(shè)計(jì)所有柵極驅(qū)動的關(guān)鍵。借助英飛凌的CoolSiC MOSFET技術(shù),設(shè)計(jì)人員能夠選擇介于15-18 V之間的開通柵極電壓,從而讓開關(guān)擁有最佳的載流能力或抗短路能力。而柵極關(guān)斷電壓值只需要確保器件能夠安全地關(guān)斷。英飛凌建議設(shè)計(jì)人員將MOSFET分立器件的關(guān)斷電壓定為0 V,從而實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動電路的簡化。
為此,本文將介紹一種易于重現(xiàn)的方法來表征碳化硅MOSFET的敏感性,并報告利用CoolSiC? MOSFET分立器件獲得的試驗(yàn)結(jié)果。
圖1:米勒電容CGD在體二極管關(guān)斷期間的影響。
寄生導(dǎo)通效應(yīng)
柵極的電感和電容反饋可能導(dǎo)致半導(dǎo)體開關(guān)意外導(dǎo)通。但如果使用了碳化硅MOSFET,通??紤]的是由米勒電容引起的電容反饋。圖1便解釋了這種效應(yīng)。下管開關(guān)S2的體二極管續(xù)流負(fù)載電流IL,直至上管開關(guān)S1導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流換向到S1后,S2的漏源極電壓開始上升。在本階段,不斷上升的漏極電位可通過米勒電容CGD拉高S2的柵極電壓。柵極關(guān)斷電阻試圖抵消并拉低電壓。如果該電阻的電阻值不足以拉低電壓,則電壓可能超出閾值水平,從而導(dǎo)致上下管直通,增加開關(guān)損耗。
直通現(xiàn)象的風(fēng)險和嚴(yán)重程度通常取決于特定的運(yùn)行條件和測量硬件。最危險的運(yùn)行條件是母線電壓高、電壓急劇上升和結(jié)溫高。這些條件不僅導(dǎo)致柵極電壓更大幅度地上升,還會降低閾值水平。在硬件方面,最主要的影響因素包括與CGD平行的電路板寄生電容、與CGS平行的外部電容、柵極關(guān)斷電壓以及柵極關(guān)斷電阻。
圖2:用于特性測試的硬件配置:上管開關(guān)S1作為“dv/dt發(fā)生器”,下管開關(guān)S2作為受試器件。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦业侥軌虮苊饧纳鷮?dǎo)通的S2最大柵極關(guān)斷電阻。
特性測試平臺搭建和方法
設(shè)計(jì)人員經(jīng)常研究特定半導(dǎo)體開關(guān)的柵極-電荷曲線,以了解其對寄生導(dǎo)通的敏感性。這種方式雖然足夠簡單直觀(只需大致查看數(shù)據(jù)表即可),但并不能針對特定應(yīng)用得出真正有用的結(jié)論。其一大缺點(diǎn)在于,柵極電荷在本質(zhì)上是靜態(tài)的,而寄生導(dǎo)通顯然是動態(tài)效應(yīng)。因此,必須開展專門的特性表征試驗(yàn),以在實(shí)際應(yīng)用條件下,評估1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET在TO-247 3引腳和4引腳封裝中的寄生導(dǎo)通特性。所有試驗(yàn)均在柵極關(guān)斷電壓為0 V的條件下開展。
半橋評估板的配置如圖2所示。它本質(zhì)上屬于換向單元,其中下管開關(guān)為被測器件,而上管開關(guān)用作dv/dt發(fā)生器。當(dāng)上管器件導(dǎo)通時,下管器件的漏源極電壓不斷上升,導(dǎo)致產(chǎn)生柵極電壓dvDS/dt;并且,柵極關(guān)斷電阻越小,發(fā)生寄生導(dǎo)通的概率越低。本試驗(yàn)旨在為給定的測試用例找到臨界柵極關(guān)斷電阻值。這種所謂的臨界柵極電阻是指,相比用0 Ω柵極電阻獲得的基準(zhǔn)波形,導(dǎo)致Q*rr增大10%的電阻值。10%的閾值足以使我們獲得可靠的測量數(shù)據(jù),但同時也足夠小,在大多數(shù)應(yīng)用中可忽略不計(jì)(參見圖3)。
本文在不同溫度、不同負(fù)載電流和不同電壓斜率下開展試驗(yàn)。后者利用上管開關(guān)S1的RGon進(jìn)行調(diào)整。
圖3:在100°C下且RGoff值不同時,1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET的波形示例。相比基準(zhǔn)波形(黑色,0 Ω),其它波形的Q*rr分別增大10%(橙色;12 Ω)和40%(紅色;22 Ω)。
符號Q*rr表示以下三種電荷量之和:(1)體二極管的反向恢復(fù)電荷;(2)半導(dǎo)體器件、布局和無源器件的容性電荷,以及(3)由寄生導(dǎo)通產(chǎn)生的電荷。
特性測試結(jié)果結(jié)果
在零負(fù)載電流下進(jìn)行測試意味著,被測器件的體二極管在開關(guān)動作之前沒有正向偏壓。未出現(xiàn)二極管恢復(fù);瞬態(tài)動作僅僅是電容的充放電。在這種情況下,寄生電感中感應(yīng)的電壓作用不大。因此,TO-247和TO-247-4引腳封裝的性能是相同的。
圖4概述了在電壓800 V、電流0 A的條件下獲得的測量結(jié)果。很明顯,為避免出現(xiàn)寄生導(dǎo)通,需要更小的RGoff,dvDS/dt越大,溫度就越高。值得一提的是,即使在50 V/ns和175°C的條件下,0 V的柵極關(guān)斷電壓也足以防止寄生導(dǎo)通。如果無法選擇足夠小的RGoff,則可以使用具有源米勒鉗位功能的驅(qū)動(如1EDC30I12MH)。
在較高的負(fù)載電流條件下,出現(xiàn)了從S2的體二極管到S1的MOS溝道的硬換流。由于存在二極管反向恢復(fù)和感應(yīng)電壓,情況較為復(fù)雜。簡言之,有三種效應(yīng)發(fā)揮作用:
1. 體二極管恢復(fù)使平均dvDS/dt變慢,緩解了寄生導(dǎo)通。
2. 換流回路電感和器件輸出電容之間的振蕩會局部增加dvDS/dt,使情況更加嚴(yán)峻。
3. 假設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝,S2的通用源極端子的負(fù)反饋導(dǎo)致柵極電壓降低,增加了抗寄生導(dǎo)通的強(qiáng)度。
顯然,上述效應(yīng)的權(quán)重取決于實(shí)際的硬件配置。在使用應(yīng)用于本文所述的所有試驗(yàn)的評估板時,175°C和0 A是最關(guān)鍵的條件。因此,圖4突出顯示的無寄生導(dǎo)通的區(qū)域也適用于40 A測量——無論是TO-247封裝還是TO-247-4引腳封裝。
圖4:被測的1200 V/45 mΩ CoolSiC MOSFET臨界柵極電阻值與dvDS/dt的函數(shù)關(guān)系。測量結(jié)果是利用0 V的柵極關(guān)斷電壓在800 V和0 A下獲得的。虛線表示計(jì)算的趨勢線。
對高速開關(guān)應(yīng)用的影響
如圖3所示,由電容導(dǎo)通引起的直通電流和體二極管的反向恢復(fù)電流很難區(qū)分開來。這兩種效應(yīng)都能延緩或緩和瞬態(tài)電壓,并導(dǎo)致二極管側(cè)和開關(guān)側(cè)的開關(guān)損耗的增加。在要求開關(guān)速度最快的應(yīng)用中,寄生導(dǎo)通就如不合適的續(xù)流二極管一樣,會對開關(guān)性能造成限制。
圖5所示為不同的碳化硅MOSFET技術(shù)在柵極電壓18/0 V的條件下運(yùn)行時能實(shí)現(xiàn)的最小開通損耗。雖然不是所有器件都能在這樣的驅(qū)動條件下保持快速開關(guān)的特性,但結(jié)果證明CoolSiC MOSFET對寄生導(dǎo)通具有很高的抗擾度。
圖5:在800 V、15 A和150°C時,不同1200 V碳化硅MOSFET技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的最小導(dǎo)通開關(guān)損耗。
被測器件的標(biāo)稱通態(tài)電阻為60-80 mΩ,在柵極電壓18/0 V和柵極電阻4.7 Ω的條件下運(yùn)行。為便于比較,還顯示了驅(qū)動電壓為18/-5 V時CoolSiC MOSFET的開關(guān)損耗。
結(jié)論
本文介紹了一種簡單的方法,來表征功率半導(dǎo)體開關(guān)對由米勒電容引起的寄生導(dǎo)通的敏感性。我們利用CoolSiC MOSFET分立器件在800 V的母線電壓和50 V/ns的開關(guān)速度下進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,即使對于高速兩電平變流器而言,0 V的柵極關(guān)斷電壓也是可行的。在研究開關(guān)電壓僅為總線電壓一半的三電平電路時,情況得到徹底緩解。在這種情況下,無論柵極電阻值是多少,CoolSiC MOSFET幾乎都沒有寄生導(dǎo)通。
假設(shè)有一個良好設(shè)計(jì)的、柵漏極電容極低的PCB布局,這時英飛凌鼓勵電力電子工程師使用0 V的柵極關(guān)斷電壓來操作CoolSiC MOSFET分立器件。這有助于簡化柵極驅(qū)動的設(shè)計(jì),同時保證性能不受影響。
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