聊一聊关于碳化硅双脉冲测试中遇到的串扰问题

随着宽禁带半导体这几年的发展，在越来越多的应用领域可以看到他们的身影，混迹风光储的我最近也开始遇到过一些case，一些认知可以用从小熟知的一句话来概括，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！”今天想跟大家聊一聊关于碳化硅双脉冲测试中遇到的串扰问题。

碳化硅具有更快的切换速度（更短的切换时间），较低的损耗，更高的开关频率，更高的耐压能力以及更好的温度特性，相应地带来效率的替身，系统磁性元器件减小，功率密度的提升等优势。相对于传统硅基，碳化硅给我们的最直观印象可以认为是它的快，而更高速的情况下，寄生参数带来的影响相比于硅似乎更加严重，这也是为什么串扰（也被叫做Crosstalk）在碳化硅应用中经常被提到的原因。

在传统硅基的IGBT应用中我们经常会讨论到米勒效应导致的误导通的问题，但很少会提及负向的米勒效应（当然串扰不仅仅包含米勒效应导致的压降），因为就硅基而言，规格书中给到的门极电压额定值一般都是±20V，负压串扰对于门极的可靠性不会形成太大的挑战。而碳化硅，门极的额定电压并不像硅基那样“充裕”，下面是一些常见碳化硅芯片供应商门极电压的汇总，

我们可以看到，碳化硅的额定负压并不像硅基那样充足，负压串扰如果超过额定值，对于门极可靠性形成巨大的挑战，但由于正向串扰误导通的预防又要求我们最好选取负压关断电压，所以如何选取负门极驱动电压其实又需要我们的权衡。

SiC串扰

上面我们提到，串扰问题在硅和碳化硅的应用中都会存在，但由于碳化硅的高速快关（高dv/dt和高di/dt），导致串扰问题更加的尖锐。

串扰主要是在主动开关接通和关闭过渡期间，对关闭状态的门极电压引起的干扰。如果正向串扰电压超过阈值电压Vth,将导致部分开通；如果负串扰电压超过门极负额定电压，将造成门极过应力。下面我们基于半桥拓扑简单阐述下这个过程：

下图为Q1开通和关断一个周期内的电压电流波形示意图，

01

正向串扰

[t0~t1]

Q1开始开通，但门极电压未达到阈值电压，沟道还是处于关闭状态

[t1~t2]

当Q1的门极电压达到阈值电压之后，沟道开启，电流IL开始从D2换向Q1，这个过程在D2开始承受耐压为止。此时Q2门极回路的等效电路为

可见，V1决定了这个阶段Q2门极电压的变化趋势。

[t2~t3]

这个阶段D2承受反向电压，Q2电压开始上升，此时米勒效应产生的位移电流会在Q2门极产生压降，此阶段以Q1漏源极电压减小到导通压降为止。此时Q2门极回路的等效电路为

可见，V1决定了这个阶段Q2门极电压的变化趋势。

这个正向串扰电压有可能会超过Q2的阈值电压，导致其部分开通，从而导致上下直通的可能性。

[t3~t4]

这个阶段，Q1门极电压上升达到驱动电压，Q1完全开通。

02

负向串扰

[t5~t6]

Q1开始关断，但电压还未降低到米勒电压。

[t6~t7]

Q1的门极电压达到米勒电压，Q1的漏源极电压开始上升，Q2的漏源极电压开始下降，当Q2的漏源极电压跌到D2的导通电压时为止。此时Q2门极回路的等效电路为

在Q2门极产生的串扰电压和[t2~t3]阶段公式一样，但电压电流变化率不同。这个负向电压可能超过额定门极负压，对门极可靠性造成影响。

[t7~t8]

这个阶段，电流开始从Q2换向D2，直到Q1沟道关断，等效电路为

在Q2门极产生的串扰电压和[t1~t2]阶段公式一样，但电压电流变化率不同。

[t8~t9]

这个阶段，Q1门极电压下降到阈值电压以下，直到Q1完全关断。

以上大致阐述了串扰的产生机理，其中涉及到回路寄生参数以及电流电压变化率，所以相应的抑制措施一般都围绕这些展开。

SiC串扰的抑制

上述我们直到串扰问题的几个因素，速度（di/dt、dv/dt）和寄生参数（电阻、电容、电感），抑制的主要手段就是从这些出发。

降低开关速度是最为直观最简单的手段，但这又限制了碳化硅适用于高频的优势，所以效率和功率密度上要在原先的基础上打些折扣；

选择合适的负驱动电压，在这个电压下，让正向串扰不高于阈值电压，让负向串扰不超过额定负压。可想而知这么一个折中的负电压值是不太容易选择的。除非基于现有的系统设计参数，多次实验可能会得到这么一个合适的负驱动电压；

还有就是在门极回路中添加辅助电路，给串扰提供一个低阻抗的路径，有通过MOSFET，BJT等进行控制的，但这无疑给驱动设计带来了更高的要求和成本；

还有从寄生参数的角度出发，尽可能在设计时将寄生参数做到尽可能小。

另外，基本上所有的主流碳化硅厂家都会针对自己的碳化硅推荐合适的驱动电压以及相应的参考设计，比如ROHM的Application Note 《栅极-源极电压的浪涌抑制方法》。

小结

习惯于应用硅基IGBT的基础上，慢慢转向碳化硅的应用时，很多的考量都会更多的基于IGBT，所以我接触到的很多应用都会选择最简单的串扰抑制方法，比如通过二极管将负向串扰钳位到负驱动电压电源。但这个需要注意的是，尽量将负压电源靠近门极，可以通过电容在门极附近预留负压电压，尽可能减小这个回路，这样钳位效果会适当地好很多。或者在效率上稍作让步，达到能够接受的抑制范围。

另外在测试中，测量门极电压时，尽可能减小测量回路，有条件多试试使用光隔离探头，很多情况下我们看到的测试波形跟碳化硅门极的实际波形相差很远，这导致了我们无法很好地判断设计的准确性，花费很多不必要的精力。

总之，碳化硅的应用，其实还是处在初期，更好的性能其实需要更好的外围配套才能凸显，所以既然选择了碳化硅，没必要在门极驱动设计上犹豫太多。

审核编辑：刘清