SiC MOSFET驱动电压尖峰与抑制方法分析（上）

驱动电压尖峰复现与分析

【背景】

高频、高速开关是碳化硅(SiC) MOSFET的重要优势之一，这能显著提升系统效率，但也会在寄生电感和电容上产生更大的振荡，从而让驱动电压产生更大的尖峰。

驱动电压尖峰会对系统有诸多不良影响。首先，驱动电压尖峰若超出SiC MOSFET的安全驱动电压范围，可能引发器件误开关，甚至损坏器件。其次，尖峰电压可能产生电磁干扰，影响系统EMC指标。最后，驱动电压尖峰带来的高频震荡还会导致电流波形不稳定，从而影响系统的性能和稳定。

因此，设计可靠的驱动电路来抑制的驱动电压尖峰，成为发挥SiC MOSFET优势特性的关键课题。为此，我们首先测试复现驱动尖峰波形并分析原因，然后采取相应措施来抑制尖峰。本篇主讲第一部分：驱动电压尖峰复现与分析。

双脉冲测试方法与设备

瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法，来复现SiC MOSFET的开关过程中驱动电压尖峰，以便分析原因和采取对策。在双脉冲测试电路中，Q1和Q2为瞻芯电子1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始终保持关断，上管Q1则进行开关动作。当上管Q1开通时电流路径为红色实线；当上管Q1关断时电流路径为红色虚线，如图1：

图1：双脉冲测试电路

以上测试中，通过开关上管Q1，来测试下管Q2因寄生电感和米勒效应产生的驱动电压尖峰，如下示意图2：

图2：双脉冲测试过程

为了消除PCB板的寄生参数对测试波形的影响，瞻芯电子针对2种封装：TO247-3和TO247-4，分别制作了2块双脉冲测试板，如下图3：

图3：双脉冲测试板

具体的测试设备配置，包括信号发生器、直流电源、负载电感、示波器以及高带宽的非隔离探头或光隔离探头，其中非隔离探头采用最小接地环，从而取得更准确的测试结果，如下图4：

图4：测试设备环境

驱动电压尖峰复现

1、用0V关断电压时的参考电路与波形

如果不采取抑制尖峰措施，则驱动电路如下图5：

图5：0V关断且不加钳位的驱动电路

当关闭上管Q1的过程中，测试下管Q2的栅极(Gate)和源极(Source)引脚之间的电压(Vgs)，出现较大的驱动电压(Vgs)负尖峰(-4.9V)和正尖峰震荡，如下波形图6：

图6：0V关断且不加钳位的驱动波形

以上波形图中，负压尖峰按不同成因分为两段：第一段是当Vds下降过程中dv/dt较大，因米勒电容放电，放电电流在Rg上产生压降，而让Vgs产生下拉负尖峰；第二段在Vds下降到0V后，Vgs出现负尖峰和正尖峰震荡，这是体二极管续流的di/dt在源极引脚的寄生电感产生。

2、用-3.5V关断电压时的参考电路与波形

瞻芯电子的SiC MOSFET推荐断负压范围是-3.5V~-2V，这里选择最低值-3.5V电压驱动，来测试串扰引发的尖峰，如下图7：

图7：-3.5V关断且不加钳位的驱动电路

当上管Q1关断时，如下波形图7所示：绿色的Vds降低到0V过程中，蓝色的下管Q2的Vgs因Q2的米勒电容Cgd放电，进而在驱动电阻Rg上产生压降，即为测试波形中-3.5V下方的负尖峰。在Vds下降到0V后，下管Q2的Vgs又因源极寄生电感和di/dt，而产生更低的负尖峰和正尖峰震荡。

图7：-3.5V关断下管Q2时, 关断上管Q1

当上管Q1开通时，如下波形图8，在绿色Vds为0V的阶段，蓝色的下管Q2的驱动电压Vgs因体二极管电流转移和反向恢复，而在源极寄生电感上产生较大正尖峰（2.58V）和震荡。在Vds上升的阶段，Vgs尖峰主要由Cgs与寄生电感导致的震荡。

图8：-3.5V关断下管Q2时, 开通上管Q1

综合上述分析，串扰尖峰主要有2方面原因：

1、高dv/dt时的米勒电效应； 2、高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。

3、开盖测试SiC MOSFET驱动电压

因为SiC MOSFET的驱动电压尖峰的主因之一是驱动回路里的MOSFET 源极电感，所以针对TO247-3封装器件，如果要得到更真实的管芯驱动波形，可去掉器件的塑封材料，直接从芯片上测试驱动电压，可对比呈现引脚上和管芯上的驱动波形差异。

图9：开盖测试点及测试板

其中VG_LS是测源极引脚与栅极引脚之间的电压；VG_LS_K是测管芯源极与栅极之间的电压，测试点如下：

图10：开盖测试点

测试中，下管Q2保持关断，上管Q1进行开关动作，过程如下图11：

图11：测试过程

在上管Q1初次开通时（1st Rising），如下波形图12所示：虽然从引脚测试VG_LS有较大正尖峰及震荡，但蓝色的管芯VG_LS_K显示驱动电压波动很小，几乎没有明显尖峰，比较安全。

图12：测试下管Q2芯片时，上管Q1开通

在上管Q1初次关断时（1st Falling），如下波形图13所示：虽然从引脚测得绿色的VG_LS则有较大的负尖峰及震荡；管芯上VG_LS_K几乎没有负压尖峰，但有正尖峰，与VG_LS的差异较大。

图13：上管Q1关闭时，给下管Q2芯片的驱动串扰波形

上管关断后，电感电流通过下管的体二极管续流，在下管的源极电感上产生“下正上负”的自感电动势，由于VG_LS测量的是引脚上的电压，因此VG_LS会下降，产生负尖峰。而VG_LS_K测的是管芯上的电压，自感电动势会对Cgs充电，让VG_LS_K抬升。因此会看到引脚与管芯上的电压呈现相反的尖峰波形。

图13：上管Q1关闭，给下管Q2芯片的驱动串扰尖峰分析

在上管Q1第二次开通时（2nd Rising），如下波形图14所示：管芯VG_LS_K没有正尖峰，但有平缓的负尖峰，这是由于下管的反向恢复电流，抬升了源极电动势，从而让Vgs-k出现负尖峰。

图14：上管Q1开通时，给下管Q2芯片的驱动串扰尖峰

为了对比呈现不同长度的管脚寄生电感的影响，在第二次开通上管Q1时，分别从长/短源极管脚去测试驱动电压Vgs，2组波形如下图15/16：

图15：短引脚测试波形

图16：长引脚测试波形

如上图16，当用较长的源极引脚测试时，管芯真实驱动电压有更大的过冲和震荡，而且超过SiC MOSFET阈值电压(Vth)，导致下管Q2误开通和较大Vds震荡。

总结

驱动串扰尖峰的主要原因有2点：

高dv/dt时的米勒电效应；

高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。

2. SiC MOSFET管芯的真实驱动电压，与TO247-3引脚测到的驱动电压可能呈现相反的尖峰波形。

3. 若管脚测到超规格的驱动波形，可进一步确认管芯的真实驱动电压；

4. 若从长引脚测得较大Vds震荡，可能器件有误开通，甚至损坏器件。

5. 建议驱动路径尽量靠近器件引脚根部，规避长引脚的寄生电感。

审核编辑：刘清