如何選取SiC MOSFET的Vgs門極電壓及其影響

在IGBT時代，門極電壓的選擇比較統(tǒng)一，無非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V這幾檔。而在新興的SiC MOSFET領(lǐng)域，還未有約定俗成的門極電壓規(guī)范。本文愿就SiC MOSFET的門極電壓選擇上的困惑，提供些有用的參考。

下文所述，主要以英飛凌工業(yè)1200V SiC MOSFET的M1H系列產(chǎn)品與應用為參考，其他不同電壓等級或不同廠家的SiC產(chǎn)品，不盡相同。

在SiC產(chǎn)品的規(guī)格書中，都會有SiC Vgs電壓范圍和推薦電壓區(qū)間(如圖1所示)，以供大家在實際應用中參考。但是推薦非強制，關(guān)于Vgs的關(guān)斷電壓，既可0V，也可負壓。

圖1.IMBG120R030M1H規(guī)格書Vgs說明

備注1：今年(2022)新出的M1H單管系列，其門極Vgs電壓的負壓極值，從上述的-7V進一步擴展到-10V，使得客戶的負壓選取更加靈活，同時門極的AC BTI特性也得到大幅提升。

萬變不離其宗，其實無論器件的門極電壓范圍如何變化，落實到應用層面：到底如何選取SiC門極電壓？應該考慮哪些方面？性能與可靠性如何取舍？讀罷此文，自然撥云見日。

01 SiC MOSFET的Vgs正壓對Rdson和Esw的影響

以英飛凌工業(yè)1200V/M1H系列SiC單管為例，如圖1所示，Vgs最高正壓為23V，考慮5V余量，實際應用可選擇15V或18V作為開通電壓。

1.1 Vgs正壓越高，其Rdson越小

工業(yè)1200V/M1H規(guī)格書Rdson標定值，皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V適之，則Rdson還會增加。舉例：

Rdson=30mOhm@Vgs=+18V，

則Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。

1.2 Vgs正壓越高，其Esw也越小(Eon)

為了更直觀說明不同Vgs正壓對Esw的影響，利用官網(wǎng)的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H)，搭建了簡單的仿真電路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm)，如圖2和圖3所示，是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真結(jié)果。正壓Vgs越高，其Eon越小。因此，對于開關(guān)頻率高或者只有Eon或Eoff的軟開關(guān)場合，猶需關(guān)注。

圖2.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V)，對SiC開關(guān)特性的影響(25C)

圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V)，對SiC開關(guān)特性的影響(25C)

因此，如果選擇正壓15V驅(qū)動，相對18V而言，不僅會犧牲導通損耗(Rdson)，也會增加一些開關(guān)損耗(Eon)。當然15V驅(qū)動也有好處，受益于開通速度的降低，開通的overshoot有所改善，對于Vgs寄生導通會有一定幫助。

02 SiC MOSFET的Vgs負壓對Rdson和Esw的影響

2.1 Vgs負壓不同，其Rdson不變

2.2 Vgs負壓越低，其Esw越低(Eoff)

同樣，我們看下不同Vgs負壓的仿真結(jié)果，如圖4和圖5所示：

圖4.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V)，對SiC開關(guān)特性的影響(25C)

圖5.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V)，對SiC開關(guān)特性的影響(25C)

因此，如果選擇Vgs=-3V關(guān)斷，對于SiC的Rdson無所助益，但是對關(guān)斷損耗Eoff的減小還是比較明顯的，尤其對一些只有關(guān)斷損耗Eoff的場合收益明顯。同時選擇Vgs=-3V對降低開通時刻的寄生導通風險也是立竿見影。

那么，我們直接選擇Vgs=+18V/-3V，

豈不是皆大歡喜？

關(guān)于這個問題，其實沒有標準答案：應用不同，答案不同，設(shè)計不同，答案也不同……

因為，在SiC器件的設(shè)計與應用中，除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外，可靠性和魯棒性也是不可忽視的一部分。尤其是Vgs電壓對短路特性和門極可靠性的影響。

03 SiC MOSFET的Vgs電壓對短路特性的影響

承接上文的問題，為什么不能直接以Vgs=+18V/-3V，“放之四海而皆準”。

首先Vgs正壓18V或15V直接關(guān)系到SiC的短路特性之有無，而有些應用又對器件短路能力剛需，則只能選擇15V，而選擇Vgs=18V則意味著器件失去了短路耐受能力。

與此同時，與IGBT的短路耐受類似，不同的母線電壓也會影響其短路耐受時間。

一言以蔽之，SiC MOSFET的短路耐受能力，相比類似電流規(guī)格的IGBT要差很多。其實也不難理解，畢竟在MOSFET的Si時代，如英飛凌引以為傲的CoolMOS家族，都是沒有短路耐受能力的，所謂的短路耐受只是IGBT應用的延續(xù)與遺產(chǎn)。

圖6.SiC MOSFET的短路特性

關(guān)于為啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短，簡而言之，就是電流大、面積小、熱層薄導致的短路能量密度遠超IGBT短路的情況(約20倍)，具體可參見下面的圖7所述：

圖7.SiC與IGBT的短路能量密度對比

04 SiC MOSFET的Vgs電壓對門極可靠性的影響

繼續(xù)承接上文的問題，講完Vgs正壓選取與短路特性之后，我們再看看Vgs關(guān)斷負壓與門極可靠性的問題。關(guān)于這個熱門問題，英飛凌之前專門推出過一份內(nèi)容詳實堪稱業(yè)界典范的白皮書，并且在不同場合和平臺都給大家做過深入的剖析和講解。核心內(nèi)容，如圖8所示：

圖8.SiC門極氧化層可靠性挑戰(zhàn)與英飛凌SiC可靠性白皮書簡介

具體的在這里就不贅述了，請參見下面的鏈接：

“英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導體器件的可靠性”

我們繼續(xù)聊Vgs負壓選取的問題，在常見的半橋拓撲中，大多存在由米勒電容和源極電感產(chǎn)生的Vgs尖峰，分別為開通時刻的overshoot和關(guān)斷時刻的undershoot。

圖9.SiC MOSFET門極Vgs的overshoot和undershoot示意圖

Vgs的負壓選取，既要overshoot不超過門檻電壓Vgs.th，也要undershoot不超過Vgs.min限值。

05 總 結(jié)

綜上所述，選取合適的Vgs電壓，除了參考規(guī)格書的推薦值之外，不僅要考慮對Rdson的變化，也要考慮對Esw的影響，同時要兼顧所在應用和設(shè)計中，對可靠性的相關(guān)要求，最終的Vgs電壓值，一定是折衷與優(yōu)化的結(jié)果，如圖10所示。

圖10.SiC驅(qū)動電壓Vgs選取與評估的綜合考量參考

古人云：水無常勢、人無常形。授人以魚不如授人以漁。

掌握Vgs電壓的選取與評估的方法，遠勝于人云亦云的所謂經(jīng)驗Vgs電壓值。