SiC Crosstalk小敘

靜待時(shí)光清淺，歲月流轉(zhuǎn)，把酒言歡，夢(mèng)里，青春與你我不似初見(jiàn)！時(shí)間來(lái)到了八月末，我們又可以借機(jī)相遇，噓寒問(wèn)暖的同時(shí)聊聊功率半導(dǎo)體的一些變化（PCIM展期待人群中能夠駐足聊聊）。

隨著寬禁帶半導(dǎo)體這幾年的發(fā)展，在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域可以看到他們的身影，混跡風(fēng)光儲(chǔ)的我最近也開(kāi)始遇到過(guò)一些case，一些認(rèn)知可以用從小熟知的一句話來(lái)概括，“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行！”今天想跟大家聊一聊關(guān)于碳化硅雙脈沖測(cè)試中遇到的串?dāng)_問(wèn)題。

碳化硅具有更快的切換速度（更短的切換時(shí)間），較低的損耗，更高的開(kāi)關(guān)頻率，更高的耐壓能力以及更好的溫度特性，相應(yīng)地帶來(lái)效率的替身，系統(tǒng)磁性元器件減小，功率密度的提升等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)硅基，碳化硅給我們的最直觀印象可以認(rèn)為是它的快，而更高速的情況下，寄生參數(shù)帶來(lái)的影響相比于硅似乎更加嚴(yán)重，這也是為什么串?dāng)_（也被叫做Crosstalk）在碳化硅應(yīng)用中經(jīng)常被提到的原因。

在傳統(tǒng)硅基的IGBT應(yīng)用中我們經(jīng)常會(huì)討論到米勒效應(yīng)導(dǎo)致的誤導(dǎo)通的問(wèn)題，但很少會(huì)提及負(fù)向的米勒效應(yīng)（當(dāng)然串?dāng)_不僅僅包含米勒效應(yīng)導(dǎo)致的壓降），因?yàn)榫凸杌裕?guī)格書(shū)中給到的門(mén)極電壓額定值一般都是±20V，負(fù)壓串?dāng)_對(duì)于門(mén)極的可靠性不會(huì)形成太大的挑戰(zhàn)。而碳化硅，門(mén)極的額定電壓并不像硅基那樣“充?！?，下面是一些常見(jiàn)碳化硅芯片供應(yīng)商門(mén)極電壓的匯總，

我們可以看到，碳化硅的額定負(fù)壓并不像硅基那樣充足，負(fù)壓串?dāng)_如果超過(guò)額定值，對(duì)于門(mén)極可靠性形成巨大的挑戰(zhàn)，但由于正向串?dāng)_誤導(dǎo)通的預(yù)防又要求我們最好選取負(fù)壓關(guān)斷電壓，所以如何選取負(fù)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓其實(shí)又需要我們的權(quán)衡。

SiC串?dāng)_

上面我們提到，串?dāng)_問(wèn)題在硅和碳化硅的應(yīng)用中都會(huì)存在，但由于碳化硅的高速快關(guān)（高dv/dt和高di/dt），導(dǎo)致串?dāng)_問(wèn)題更加的尖銳。

串?dāng)_主要是在主動(dòng)開(kāi)關(guān)接通和關(guān)閉過(guò)渡期間，對(duì)關(guān)閉狀態(tài)的門(mén)極電壓引起的干擾。如果正向串?dāng)_電壓超過(guò)閾值電壓Vth,將導(dǎo)致部分開(kāi)通；如果負(fù)串?dāng)_電壓超過(guò)門(mén)極負(fù)額定電壓，將造成門(mén)極過(guò)應(yīng)力。下面我們基于半橋拓?fù)浜?jiǎn)單闡述下這個(gè)過(guò)程：

下圖為Q1開(kāi)通和關(guān)斷一個(gè)周期內(nèi)的電壓電流波形示意圖，

01、正向串?dāng)_

[t0~t1]

Q1開(kāi)始開(kāi)通，但門(mén)極電壓未達(dá)到閾值電壓，溝道還是處于關(guān)閉狀態(tài)

[t1~t2]

當(dāng)Q1的門(mén)極電壓達(dá)到閾值電壓之后，溝道開(kāi)啟，電流IL開(kāi)始從D2換向Q1，這個(gè)過(guò)程在D2開(kāi)始承受耐壓為止。此時(shí)Q2門(mén)極回路的等效電路為

可見(jiàn)，V1決定了這個(gè)階段Q2門(mén)極電壓的變化趨勢(shì)。

[t2~t3]

這個(gè)階段D2承受反向電壓，Q2電壓開(kāi)始上升，此時(shí)米勒效應(yīng)產(chǎn)生的位移電流會(huì)在Q2門(mén)極產(chǎn)生壓降，此階段以Q1漏源極電壓減小到導(dǎo)通壓降為止。此時(shí)Q2門(mén)極回路的等效電路為

可見(jiàn)，V1決定了這個(gè)階段Q2門(mén)極電壓的變化趨勢(shì)。

這個(gè)正向串?dāng)_電壓有可能會(huì)超過(guò)Q2的閾值電壓，導(dǎo)致其部分開(kāi)通，從而導(dǎo)致上下直通的可能性。

[t3~t4]

這個(gè)階段，Q1門(mén)極電壓上升達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓，Q1完全開(kāi)通。

02、負(fù)向串?dāng)_

[t5~t6]

Q1開(kāi)始關(guān)斷，但電壓還未降低到米勒電壓。

[t6~t7]

Q1的門(mén)極電壓達(dá)到米勒電壓，Q1的漏源極電壓開(kāi)始上升，Q2的漏源極電壓開(kāi)始下降，當(dāng)Q2的漏源極電壓跌到D2的導(dǎo)通電壓時(shí)為止。此時(shí)Q2門(mén)極回路的等效電路為

在Q2門(mén)極產(chǎn)生的串?dāng)_電壓和[t2~t3]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。這個(gè)負(fù)向電壓可能超過(guò)額定門(mén)極負(fù)壓，對(duì)門(mén)極可靠性造成影響。

[t7~t8]

這個(gè)階段，電流開(kāi)始從Q2換向D2，直到Q1溝道關(guān)斷，等效電路為

在Q2門(mén)極產(chǎn)生的串?dāng)_電壓和[t1~t2]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。

[t8~t9]

這個(gè)階段，Q1門(mén)極電壓下降到閾值電壓以下，直到Q1完全關(guān)斷。

以上大致闡述了串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)理，其中涉及到回路寄生參數(shù)以及電流電壓變化率，所以相應(yīng)的抑制措施一般都圍繞這些展開(kāi)。

參考文獻(xiàn)，Wei Liang, "A New Gate Driver for Suppressing Crosstalk of SiC MOSFET"

SiC串?dāng)_的抑制

上述我們直到串?dāng)_問(wèn)題的幾個(gè)因素，速度（di/dt、dv/dt）和寄生參數(shù)（電阻、電容、電感），抑制的主要手段就是從這些出發(fā)。

降低開(kāi)關(guān)速度是最為直觀最簡(jiǎn)單的手段，但這又限制了碳化硅適用于高頻的優(yōu)勢(shì)，所以效率和功率密度上要在原先的基礎(chǔ)上打些折扣；

選擇合適的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，在這個(gè)電壓下，讓正向串?dāng)_不高于閾值電壓，讓負(fù)向串?dāng)_不超過(guò)額定負(fù)壓。可想而知這么一個(gè)折中的負(fù)電壓值是不太容易選擇的。除非基于現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，多次實(shí)驗(yàn)可能會(huì)得到這么一個(gè)合適的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓；

還有就是在門(mén)極回路中添加輔助電路，給串?dāng)_提供一個(gè)低阻抗的路徑，有通過(guò)MOSFET，BJT等進(jìn)行控制的，但這無(wú)疑給驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更高的要求和成本；

還有從寄生參數(shù)的角度出發(fā)，盡可能在設(shè)計(jì)時(shí)將寄生參數(shù)做到盡可能小。

另外，基本上所有的主流碳化硅廠家都會(huì)針對(duì)自己的碳化硅推薦合適的驅(qū)動(dòng)電壓以及相應(yīng)的參考設(shè)計(jì)，比如ROHM的Application Note 《柵極-源極電壓的浪涌抑制方法》。

https://pan.baidu.com/s/10WxEXYsHGG6841SeKybV_Q?pwd=3689

提取碼：3689

小結(jié)

習(xí)慣于應(yīng)用硅基IGBT的基礎(chǔ)上，慢慢轉(zhuǎn)向碳化硅的應(yīng)用時(shí)，很多的考量都會(huì)更多的基于IGBT，所以我接觸到的很多應(yīng)用都會(huì)選擇最簡(jiǎn)單的串?dāng)_抑制方法，比如通過(guò)二極管將負(fù)向串?dāng)_鉗位到負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓電源。但這個(gè)需要注意的是，盡量將負(fù)壓電源靠近門(mén)極，可以通過(guò)電容在門(mén)極附近預(yù)留負(fù)壓電壓，盡可能減小這個(gè)回路，這樣鉗位效果會(huì)適當(dāng)?shù)睾煤芏??；蛘咴谛噬仙宰髯尣剑_(dá)到能夠接受的抑制范圍。

另外在測(cè)試中，測(cè)量門(mén)極電壓時(shí)，盡可能減小測(cè)量回路，有條件多試試使用光隔離探頭，很多情況下我們看到的測(cè)試波形跟碳化硅門(mén)極的實(shí)際波形相差很遠(yuǎn)，這導(dǎo)致了我們無(wú)法很好地判斷設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，花費(fèi)很多不必要的精力。

總之，碳化硅的應(yīng)用，其實(shí)還是處在初期，更好的性能其實(shí)需要更好的外圍配套才能凸顯，所以既然選擇了碳化硅，沒(méi)必要在門(mén)極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上猶豫太多。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！