驅動電壓尖峰復現與分析

【背景】

高頻、高速開關是碳化硅(SiC) MOSFET的重要優勢之一，這能顯著提升系統效率，但也會在寄生電感和電容上產生更大的振蕩，從而讓驅動電壓產生更大的尖峰。

驅動電壓尖峰會對系統有諸多不良影響。首先，驅動電壓尖峰若超出SiC MOSFET的安全驅動電壓范圍，可能引發器件誤開關，甚至損壞器件。其次，尖峰電壓可能產生電磁干擾，影響系統EMC指標。最后，驅動電壓尖峰帶來的高頻震蕩還會導致電流波形不穩定，從而影響系統的性能和穩定。

因此，設計可靠的驅動電路來抑制的驅動電壓尖峰，成為發揮SiC MOSFET優勢特性的關鍵課題。為此，我們首先測試復現驅動尖峰波形并分析原因，然后采取相應措施來抑制尖峰。本篇主講第一部分：驅動電壓尖峰復現與分析。

雙脈沖測試方法與設備

瞻芯電子采用經典的雙脈沖測試方法，來復現SiC MOSFET的開關過程中驅動電壓尖峰，以便分析原因和采取對策。在雙脈沖測試電路中，Q1和Q2為瞻芯電子1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始終保持關斷，上管Q1則進行開關動作。當上管Q1開通時電流路徑為紅色實線；當上管Q1關斷時電流路徑為紅色虛線，如圖1：

圖1：雙脈沖測試電路

以上測試中，通過開關上管Q1，來測試下管Q2因寄生電感和米勒效應產生的驅動電壓尖峰，如下示意圖2：

圖2：雙脈沖測試過程

為了消除PCB板的寄生參數對測試波形的影響，瞻芯電子針對2種封裝：TO247-3和TO247-4，分別制作了2塊雙脈沖測試板，如下圖3：

圖3：雙脈沖測試板

具體的測試設備配置，包括信號發生器、直流電源、負載電感、示波器以及高帶寬的非隔離探頭或光隔離探頭，其中非隔離探頭采用最小接地環，從而取得更準確的測試結果，如下圖4：

圖4：測試設備環境

驅動電壓尖峰復現

1、用0V關斷電壓時的參考電路與波形

如果不采取抑制尖峰措施，則驅動電路如下圖5：

圖5：0V關斷且不加鉗位的驅動電路

當關閉上管Q1的過程中，測試下管Q2的柵極(Gate)和源極(Source)引腳之間的電壓(Vgs)，出現較大的驅動電壓(Vgs)負尖峰(-4.9V)和正尖峰震蕩，如下波形圖6：

圖6：0V關斷且不加鉗位的驅動波形

以上波形圖中，負壓尖峰按不同成因分為兩段：第一段是當Vds下降過程中dv/dt較大，因米勒電容放電，放電電流在Rg上產生壓降，而讓Vgs產生下拉負尖峰；第二段在Vds下降到0V后，Vgs出現負尖峰和正尖峰震蕩，這是體二極管續流的di/dt在源極引腳的寄生電感產生。

2、用-3.5V關斷電壓時的參考電路與波形

瞻芯電子的SiC MOSFET推薦斷負壓范圍是-3.5V~-2V，這里選擇最低值-3.5V電壓驅動，來測試串擾引發的尖峰，如下圖7：

圖7：-3.5V關斷且不加鉗位的驅動電路

當上管Q1關斷時，如下波形圖7所示：綠色的Vds降低到0V過程中，藍色的下管Q2的Vgs因Q2的米勒電容Cgd放電，進而在驅動電阻Rg上產生壓降，即為測試波形中-3.5V下方的負尖峰。在Vds下降到0V后，下管Q2的Vgs又因源極寄生電感和di/dt，而產生更低的負尖峰和正尖峰震蕩。

圖7：-3.5V關斷下管Q2時, 關斷上管Q1

當上管Q1開通時，如下波形圖8，在綠色Vds為0V的階段，藍色的下管Q2的驅動電壓Vgs因體二極管電流轉移和反向恢復，而在源極寄生電感上產生較大正尖峰（2.58V）和震蕩。在Vds上升的階段，Vgs尖峰主要由Cgs與寄生電感導致的震蕩。

圖8：-3.5V關斷下管Q2時, 開通上管Q1

綜合上述分析，串擾尖峰主要有2方面原因：

1、高dv/dt時的米勒電效應； 2、高di/dt在源極引腳寄生電感上產生的震蕩。

3、開蓋測試SiC MOSFET驅動電壓

因為SiC MOSFET的驅動電壓尖峰的主因之一是驅動回路里的MOSFET 源極電感，所以針對TO247-3封裝器件，如果要得到更真實的管芯驅動波形，可去掉器件的塑封材料，直接從芯片上測試驅動電壓，可對比呈現引腳上和管芯上的驅動波形差異。

圖9：開蓋測試點及測試板

其中VG_LS是測源極引腳與柵極引腳之間的電壓；VG_LS_K是測管芯源極與柵極之間的電壓，測試點如下：

圖10：開蓋測試點

測試中，下管Q2保持關斷，上管Q1進行開關動作，過程如下圖11：

圖11：測試過程

在上管Q1初次開通時（1st Rising），如下波形圖12所示：雖然從引腳測試VG_LS有較大正尖峰及震蕩，但藍色的管芯VG_LS_K顯示驅動電壓波動很小，幾乎沒有明顯尖峰，比較安全。

圖12：測試下管Q2芯片時，上管Q1開通

在上管Q1初次關斷時（1st Falling），如下波形圖13所示：雖然從引腳測得綠色的VG_LS則有較大的負尖峰及震蕩；管芯上VG_LS_K幾乎沒有負壓尖峰，但有正尖峰，與VG_LS的差異較大。

圖13：上管Q1關閉時，給下管Q2芯片的驅動串擾波形

上管關斷后，電感電流通過下管的體二極管續流，在下管的源極電感上產生“下正上負”的自感電動勢，由于VG_LS測量的是引腳上的電壓，因此VG_LS會下降，產生負尖峰。而VG_LS_K測的是管芯上的電壓，自感電動勢會對Cgs充電，讓VG_LS_K抬升。因此會看到引腳與管芯上的電壓呈現相反的尖峰波形。

圖13：上管Q1關閉，給下管Q2芯片的驅動串擾尖峰分析

在上管Q1第二次開通時（2nd Rising），如下波形圖14所示：管芯VG_LS_K沒有正尖峰，但有平緩的負尖峰，這是由于下管的反向恢復電流，抬升了源極電動勢，從而讓Vgs-k出現負尖峰。

圖14：上管Q1開通時，給下管Q2芯片的驅動串擾尖峰

為了對比呈現不同長度的管腳寄生電感的影響，在第二次開通上管Q1時，分別從長/短源極管腳去測試驅動電壓Vgs，2組波形如下圖15/16：

圖15：短引腳測試波形

圖16：長引腳測試波形

如上圖16，當用較長的源極引腳測試時，管芯真實驅動電壓有更大的過沖和震蕩，而且超過SiC MOSFET閾值電壓(Vth)，導致下管Q2誤開通和較大Vds震蕩。

總結

驅動串擾尖峰的主要原因有2點：

高dv/dt時的米勒電效應；

高di/dt在源極引腳寄生電感上產生的震蕩。

2. SiC MOSFET管芯的真實驅動電壓，與TO247-3引腳測到的驅動電壓可能呈現相反的尖峰波形。

3. 若管腳測到超規格的驅動波形，可進一步確認管芯的真實驅動電壓；

4. 若從長引腳測得較大Vds震蕩，可能器件有誤開通，甚至損壞器件。

5. 建議驅動路徑盡量靠近器件引腳根部，規避長引腳的寄生電感。

審核編輯：劉清