驅(qū)動電壓尖峰抑制方法

【背景】高頻、高速開關(guān)是碳化硅(SiC)MOSFET的重要優(yōu)勢之一，這能讓系統(tǒng)效率顯著提升，但也會在寄生電感和電容上產(chǎn)生更大的振蕩，從而在驅(qū)動電壓上產(chǎn)生更大的尖峰。

驅(qū)動電壓尖峰會對系統(tǒng)有諸多不良影響。首先，驅(qū)動電壓尖峰若超出SiC MOSFET的驅(qū)動電壓安全范圍，可能導(dǎo)致器件誤開關(guān)，甚至損壞器件。其次，尖峰電壓可能產(chǎn)生電磁干擾，影響系統(tǒng)EMC指標(biāo)。最后，驅(qū)動電壓尖峰帶來的高頻震蕩還會導(dǎo)致電流波形不穩(wěn)定，從而影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。

因此，抑制驅(qū)動電壓尖峰，成為發(fā)揮SiC MOSFET優(yōu)勢的關(guān)鍵課題。本系列上篇講解過：“驅(qū)動電壓尖峰復(fù)現(xiàn)與分析”，本篇主講第二部分：“驅(qū)動電壓尖峰的抑制方法”。

雙脈沖測試方法

瞻芯電子采用經(jīng)典的雙脈沖測試方法，來復(fù)現(xiàn)分析SiC MOSFET的開關(guān)過程中驅(qū)動電壓尖峰，以便采取對策。在雙脈沖測試中，Q1和Q2為瞻芯電子1200V 80mΩ SiCMOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始終保持關(guān)斷，上管Q1則進(jìn)行開關(guān)動作。當(dāng)上管Q1開通時電流路徑為紅色實(shí)線，當(dāng)上管Q1關(guān)斷時電流路徑為紅色虛線，如下圖1：

圖1：雙脈沖測試電路及過程

抑制尖峰對策一：并聯(lián)二極管鉗位

利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕贛OSFET柵極和源極并聯(lián)二極管，來鉗位因米勒效應(yīng)和di/dt在源極的震蕩導(dǎo)致的驅(qū)動電壓負(fù)尖峰。如下圖2所示，當(dāng)上管Q1關(guān)閉時，高dv/dt導(dǎo)致器件米勒電容放電，同時源極產(chǎn)生自感電動勢，這些導(dǎo)致Vgs產(chǎn)生負(fù)尖峰，當(dāng)負(fù)尖峰電壓超過二極管閾值電壓時，二極管將導(dǎo)通以消除Vgs的負(fù)尖峰。

圖2：MOSFET并聯(lián)二極管

在下列測試波形圖3中，Vgs負(fù)壓尖峰幾乎消除，但是在0V關(guān)斷的條件下，因寄生電感釋放能量，導(dǎo)致正尖峰增大到3.9V，存在誤開通風(fēng)險。

所以二極管鉗位可以有效消除負(fù)尖峰，但是正尖峰風(fēng)險增大，因此推薦搭配使用驅(qū)動負(fù)壓偏置，以避免MOSFET誤開通。

圖3：0V驅(qū)動，且并聯(lián)二極管

圖4：0V驅(qū)動，但無鉗位

抑制尖峰對策二：并聯(lián)電容

在-3.5V關(guān)斷下管Q2，且不加抑制尖峰對策時，驅(qū)動電路如下圖5。當(dāng)首次關(guān)閉上管Q1時的波形如圖6，當(dāng)開通上管Q1時的波形如圖7，都出現(xiàn)較大正負(fù)尖峰：

圖5：不加抑制時，上管Q1關(guān)閉的電路

若利用電容的穩(wěn)壓和濾波特性，在MOSFET柵極和源極并聯(lián)合適的電容，可吸收和平滑驅(qū)動電壓正負(fù)尖峰，如圖8：

圖8：并聯(lián)電容時，上管Q1關(guān)閉

當(dāng)上管Q1關(guān)閉后，在Vds降低到0V后，Vgs負(fù)壓尖峰不再下拉，如下圖9；當(dāng)上管Q1開通時，Vgs正尖峰也被限制得較低，如下圖10：

如果在系統(tǒng)中有高頻震蕩，還建議在電容處串聯(lián)阻尼電阻，會有更好的尖峰震蕩抑制效果，電路如下圖11：

圖11：MOSFET并聯(lián)電容+電阻

在并聯(lián)電容上，串聯(lián)電阻的驅(qū)動波形如下圖12、13：

雖然串聯(lián)電阻后對主尖峰的吸收效果略有減弱，但對于TO247-3封裝的器件，考慮源極引腳會導(dǎo)致管芯上的Vgs電壓尖峰和持續(xù)震蕩，所以加吸收電阻有更好的阻尼效果。

抑制尖峰對策三：采用開爾文源極驅(qū)動

因?yàn)門O247-4封裝器件具有開爾文源極引腳，可與功率回路源極分開，讓源極電感無法影響驅(qū)動電壓，因而能有效抑制源極管腳寄生電感引起的驅(qū)動電壓尖峰，其電路示意圖如下圖14：

圖14：采用開爾文源極引腳驅(qū)動

下列的波形圖中，采用-3.5V驅(qū)動電壓關(guān)斷的SiC MOSFET，TO247-4封裝器件因具備開爾文源極引腳，對比TO247-3器件，其驅(qū)動電壓尖峰被顯著抑制，其中負(fù)壓尖峰由-7.4V提升到-6.9V，正壓尖峰由2.58V降低到-2.99V，如下圖15-16：

圖15：有開爾文源極引腳驅(qū)動的波形

圖16：無開爾文源極引腳驅(qū)動的波形

如果SiC MOSFET選用TO247-4封裝，同時并聯(lián)電容和電阻，還能進(jìn)一步吸收驅(qū)動電壓尖峰，抑制持續(xù)震蕩，總體效果更好，如下圖17-18：

圖17：采用TO247-4+RC吸收

圖18：采用開爾文源極引腳驅(qū)動+RC吸收的波形

綜合對比上述3種抑制對策，效果最佳的方式為采用具有開爾文源極的TO247-4封裝器件，并合理搭配吸收電容和電阻。

米勒鉗位應(yīng)用對策

為應(yīng)對SiC MOSFET較低的閾值電壓(Vth)，瞻芯電子開發(fā)了SiC專業(yè)·比鄰驅(qū)動芯片TM IVCR1401，其內(nèi)部集成負(fù)壓驅(qū)動與退保和保護(hù)功能。在下列驅(qū)動電路中，加入了2個鉗位MOSFET，如下圖19：

圖19：SiC專用驅(qū)動芯片IVCR1401+米勒鉗位管

當(dāng)主MOSFET關(guān)斷時，鉗位管導(dǎo)通，以短接驅(qū)動電阻Rg，等效于米勒鉗位，能顯著抑制驅(qū)動電壓主尖峰，如下圖20：

圖20：對比有無米勒鉗位管的波形

總 結(jié)

1、驅(qū)動電壓尖峰的主要原因有2點(diǎn)： -高dv/dt時的米勒電效應(yīng)； -高di/dt在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的震蕩。

2、驅(qū)動電壓尖峰的最佳抑制方法為：采用開爾文源極引腳驅(qū)動，并搭配合適的電容和電阻，以吸收尖峰和震蕩；

3、對于TO247-3封裝，不建議用米勒鉗位，最多用電容串聯(lián)電阻的弱下拉，如下圖21：

圖21：對比TO247-3與TO247-4封裝的驅(qū)動回路

4、對于TO247-4封裝或驅(qū)動回路源極漏感小的電路，可用各種米勒鉗位對策；

5、建議驅(qū)動路徑盡量靠近器件引腳根部，規(guī)避長引腳的寄生電感。

審核編輯：劉清