在高功率應(yīng)用中，碳化硅(SiC)MOSFET與硅(Si)IGBT相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢。其中包括更低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗以及更好的高溫性能。

SiC MOSFET快速開關(guān)的挑戰(zhàn)

電路布線中的器件電容、寄生電感和電容元件會(huì)極大地影響開關(guān)性能。圖1顯示，高開關(guān)di/dt會(huì)因柵極-源極回路中的寄生電感而在柵極驅(qū)動(dòng)器中產(chǎn)生振鈴和振蕩。這會(huì)通過柵極-漏極電容(Cgd)耦合到關(guān)斷狀態(tài)的器件，并導(dǎo)致誤導(dǎo)通。

圖1：顯示來自SiC MOSFET器件和電路板布局中寄生元件的高壓和電流尖峰

這些瞬變會(huì)降低設(shè)備性能和可靠性。例如，超過額定柵極電壓的持續(xù)柵極過沖會(huì)損壞柵極氧化層并限制器件的使用壽命。

FET導(dǎo)通時(shí)的高柵極瞬變會(huì)使FET進(jìn)入飽和狀態(tài)，而不是首選的線性區(qū)域，從而產(chǎn)生更高的損耗并影響可靠性。

減慢開關(guān)瞬變，例如，通過增加更高的柵極電阻器或包括一個(gè)外部柵極-源極電容，可以減少此類過沖，但會(huì)帶來更高的開關(guān)損耗。

因此，我們的目標(biāo)是盡量減少這些瞬態(tài)效應(yīng)，同時(shí)保持盡可能高的開關(guān)效率。讓我們看看實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一些潛在方法。

關(guān)于最大限度地提高SiC MOSFET性能的一些建議

使用源開爾文接法

如圖2所示，添加一個(gè)源開爾文連接將電源和信號(hào)回路分開，即使在外部寄生電感Ls的情況下也能實(shí)現(xiàn)平滑的開關(guān)轉(zhuǎn)換。此類4引線器件推薦用于大功率應(yīng)用。

圖2：通過使用源開爾文連接改進(jìn)開關(guān)

分裂柵電阻的使用

分裂柵電阻基本上可以形成一個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò)來抑制柵極振蕩。柵極電阻RG在添加的外部CGS電容之前和之后一分為二，如圖3所示。該外部CGS兩端的電壓VAB在開啟和關(guān)閉期間具有更小的瞬態(tài)峰/谷過程。這導(dǎo)致器件柵極上的VGS信號(hào)更平滑，即使在3引腳器件中存在外部源電感的情況下也是如此。

圖3：使用分裂柵電阻實(shí)現(xiàn)更平滑的柵極驅(qū)動(dòng)

平衡并聯(lián)器件中的寄生電感

并聯(lián)SiC MOSFET是提高整體驅(qū)動(dòng)電流的重要方法。匹配固有的MOSFET參數(shù)(例如閾值電壓VTH)對(duì)于實(shí)現(xiàn)平衡電流共享很重要。同樣重要的是平衡電路板布局中的寄生路徑。圖4顯示了源極電感不匹配的影響，導(dǎo)致2個(gè)MOSFET的漏極電流高度不平衡。對(duì)稱布局可以改善負(fù)載分配和模塊的整體安全工作區(qū)(SOA)。

圖4：并聯(lián)SiC MOSFET的源極電感失配的影響

平衡并聯(lián)器件中的輸入電容

與上述電感的情況類似，輸入電容的不匹配會(huì)延遲一個(gè)器件相對(duì)于另一個(gè)器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生不平衡的瞬態(tài)電流，并可能超過其中一個(gè)器件的額定值。圖5(a)說明了這種影響。如圖5(b)所示，使用分裂柵電阻可以減少這種不匹配的影響。

圖5：(a)顯示并聯(lián)連接的SiC MOSFET的器件輸入電容不匹配的影響，而(b)顯示即使在這種電容不匹配的情況下，使用分裂柵電阻也能改善平衡

還可以考慮幾個(gè)其他因素來最大限度地提高SiC MOSFET性能：

• 如圖1中低側(cè)FET所示，有源米勒鉗位為通過密勒電容CGD耦合的dv/dt瞬變產(chǎn)生的高柵極電壓尖峰創(chuàng)建低阻抗路徑。當(dāng)器件在高溫下運(yùn)行(由于VTH的負(fù)溫度系數(shù))，并且在關(guān)斷時(shí)沒有負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)，此類鉗位特別有用。它們還有助于在選擇RG-OFF柵極電阻時(shí)考慮開關(guān)損耗EOFF而不是米勒引起的振蕩。
• 將柵極驅(qū)動(dòng)器放置在盡可能靠近MOSFET的位置。
• 使電源和柵極信號(hào)走線盡可能遠(yuǎn)離彼此
• 在輸入柵極路徑中使用鐵氧體磁珠。鐵氧體磁珠(例如由鎳鋅制成的磁珠)有助于耗散噪聲范圍內(nèi)的頻率，例如50–200MHz范圍內(nèi)的頻率，而不會(huì)因?yàn)槠湓陂_關(guān)頻率下的低阻抗而對(duì)開關(guān)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
• 為關(guān)斷使用負(fù)柵極偏置會(huì)增加成本和復(fù)雜性，但會(huì)使關(guān)斷對(duì)導(dǎo)致柵極振鈴的開關(guān)瞬變更加魯棒。
• 通孔器件應(yīng)使用盡可能少的引線和其他布線技術(shù)，以盡量減少柵極回路電感。
• 使用具有較低CGD/CGS比值的設(shè)備將減少米勒反饋的影響。

結(jié)論

以數(shù)百kHz的頻率切換1000V以上的高壓電源軌是一項(xiàng)復(fù)雜的操作，需要優(yōu)化功率器件、電路板布局、柵極驅(qū)動(dòng)器和外部無源元件。在本文中，我們重點(diǎn)介紹了一些可以大大改進(jìn)單個(gè)和并聯(lián)器件開關(guān)的技術(shù)。