傾佳電子SiC碳化硅MOSFET開關行為深度研究與波形解析

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

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第一章：緒論：SiC MOSFET開關行為的獨特挑戰(zhàn)與研究意義

1.1 寬禁帶半導體SiC的性能優(yōu)勢與應用前景

碳化硅（SiC）作為第三代寬禁帶（WBG）半導體材料的代表，其卓越的物理特性使其在電力電子領域展現(xiàn)出巨大的潛力。與傳統(tǒng)的硅（Si）材料相比，SiC具有約3.26 eV的寬禁帶寬度（幾乎是Si的3倍），這使得將電子從價帶移動到導帶需要更大的能量，從而賦予了材料在高溫下出色的性能表現(xiàn) 。此外，SiC的電擊穿場強度是Si的10倍，熱導率更是其3倍 。這些內在的物理優(yōu)勢直接轉化為器件層面的優(yōu)越性能：SiC MOSFET能夠承受更高的擊穿電壓，實現(xiàn)更低的導通電阻，支持更高的開關頻率，并能在高達200°C的結溫下可靠工作 。

這些顯著的性能提升使得SiC MOSFET成為下一代高壓高頻功率變換器的理想選擇，廣泛應用于電動汽車、充電樁、可再生能源并網(wǎng)、工業(yè)電機驅動等關鍵領域 。通過用SiC MOSFET替代傳統(tǒng)的硅基IGBT，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)顯著的效率提升和功率密度增加，例如在某2kVA單相逆變器中，總損耗可降低約41% 。這種效率的提升不僅直接減少了能量浪費，同時也簡化了系統(tǒng)的熱管理設計，甚至可以減小散熱器的尺寸和重量，從而降低整體系統(tǒng)的體積和成本 。

1.2 SiC MOSFET高速開關行為的非理想特性：挑戰(zhàn)與機遇

盡管SiC MOSFET具有諸多優(yōu)勢，其極高的開關速度也帶來了特有的挑戰(zhàn)。在開關瞬態(tài)過程中，極高的電流變化率 di/dt 和電壓變化率 dV/dt 作用于電路中不可避免的寄生參數(shù)（如雜散電感和電容），會引發(fā)一系列非理想行為，包括電壓過沖、電流尖峰和電壓/電流振蕩 。這些現(xiàn)象不僅增加了器件的電氣應力，可能導致?lián)p耗增加甚至器件損壞，而且產(chǎn)生的開關振蕩會加劇系統(tǒng)的電磁干擾（EMI），限制其開關頻率的進一步提升 。

因此，對SiC MOSFET的開關行為進行深入研究，并掌握如何通過波形分析診斷和解決這些非理想問題，對于充分發(fā)揮其性能潛力至關重要 。分析波形本質上是揭示能量在寄生電感和電容之間傳遞和轉換的物理過程。高速開關帶來的高 di/dt 和 dV/dt 使得即使是微小的寄生參數(shù)也會產(chǎn)生顯著的感應電壓（VL?=L?di/dt）和位移電流（IC?=C?dV/dt），這些感應量在回路中產(chǎn)生諧振，最終表現(xiàn)為波形上的過沖和振鈴 。

1.3 報告結構與核心研究問題

本報告旨在提供一份專家級的技術分析，系統(tǒng)地探討SiC MOSFET的開關行為，并指導如何通過波形分析進行設計優(yōu)化。報告將從以下幾個核心維度展開：首先，深入解析導通與關斷瞬態(tài)過程中各階段的物理機制，并闡明雙脈沖測試（DPT）作為標準分析工具的應用 。其次，詳細剖析寄生電感和寄生電容等非理想?yún)?shù)對波形失真的影響機理 。隨后，提供柵極驅動和PCB布局方面的設計實踐建議，以調控和優(yōu)化開關性能 。最后，將SiC MOSFET與其他主流功率器件進行特性對比，并分析溫度等環(huán)境因素對開關行為的復雜影響 。

第二章：SiC MOSFET開關瞬態(tài)過程與波形特征的物理分析

2.1 理論基礎：等效電路模型與寄生參數(shù)

對SiC MOSFET開關行為的分析始于其等效電路模型。除了核心的MOSFET開關管本身，該模型還必須考慮三個關鍵的內部寄生電容（柵源電容 CGS?、柵漏電容 CGD? 和漏源電容 CDS?）以及三個外部雜散電感（柵極驅動回路寄生電感 LG?、源極引腳寄生電感 LS? 和主換流回路雜散電感 Ld?）。這些寄生參數(shù)在高速開關過程中扮演了決定性的角色。例如，柵極寄生電感 LG? 會與MOSFET的輸入電容 CISS?(=CGS?+CGD?) 發(fā)生諧振，其阻尼特性由柵極電阻 RG? 決定 。這種物理上的RLC諧振回路是柵極電壓振鈴的根本原因。值得注意的是，由于SiC能夠實現(xiàn)極高的開關速度，即使是幾厘米的導線長度所產(chǎn)生的微小雜散電感和電容，其影響也可能非常顯著，遠超傳統(tǒng)硅器件 。

2.2 導通瞬態(tài)（Turn-On）波形解析：一個分階段的物理旅程

SiC MOSFET的導通瞬態(tài)過程可清晰地劃分為四個階段，通過對柵極電壓 (VGS?)、漏源電壓 (VDS?)、漏極電流 (ID?) 和續(xù)流二極管電流 (IF?) 波形進行同步分析，可以深入理解每個階段的物理機制 。

階段一：導通延遲（td(on)?） 在這一階段，柵極驅動信號開始上升，柵極電流 IG? 對 CGS? 和 CGD? 進行充電。柵源電壓 VGS? 呈指數(shù)級上升，直至達到器件的閾值電壓 Vth?。在此期間，MOSFET仍處于關斷狀態(tài)，因此漏極電流 ID? 和漏源電壓 VDS? 幾乎沒有變化 。

階段二：電流上升與米勒平臺 當 VGS? 超過 Vth? 后，MOSFET進入導通狀態(tài)，漏極電流 ID? 開始上升。同時，流過續(xù)流二極管的電流 IF? 開始下降 。由于跨越柵漏電容

CGD? 的電壓 VGD? (即 VGS??VDS?) 發(fā)生變化，柵極驅動電流的一部分將用于對 CGD? 充電。這導致 VGS? 的上升速率顯著減緩，形成著名的“米勒平臺” 。在這一階段，漏極電流 ID? 持續(xù)上升，而 VDS? 則因負載電感上的壓降而開始緩慢下降 。米勒平臺的持續(xù)時間和斜率是衡量開關速度和損耗的關鍵指標。

階段三：電壓下降與關斷二極管的反向恢復 當漏極電流 ID? 上升至負載電流 IDD? 的水平時，二極管電流 IF? 降至零 。此時，漏源電壓

VDS? 開始快速下降，直至達到其導通狀態(tài)電壓 VDS(on)?。與IGBT不同，SiC MOSFET不產(chǎn)生拖尾電流 。此外，如果系統(tǒng)中使用了SiC肖特基二極管（SBD）作為續(xù)流二極管，其接近零的反向恢復時間（ trr?）意味著反向恢復電流極小，從而顯著減少了開通損耗和EMI 。

階段四：電流振鈴 在電壓下降階段之后，由于主換流回路的雜散電感與器件的寄生電容之間存在諧振，漏極電流 ID? 和漏源電壓 VDS? 可能會出現(xiàn)振蕩。這種振蕩是能量在寄生電感和電容之間來回傳遞的物理體現(xiàn)，并最終被電路中的雜散電阻所耗散 。

2.3 關斷瞬態(tài)（Turn-Off）波形解析：從導通到截止的逆向過程

SiC MOSFET的關斷過程本質上是導通過程的逆向。在柵極驅動信號開始下降后， VGS? 將下降到米勒平臺電壓，此后，柵極驅動電流反向，對 CGD? 放電，使得 VDS? 開始上升，而 ID? 則保持不變 。當 VDS? 上升至母線電壓后，MOSFET進入關斷狀態(tài)， ID? 快速下降至零 。

SiC MOSFET與Si IGBT在關斷過程中的波形差異是其核心優(yōu)勢所在。Si IGBT由于其內部的少數(shù)載流子傳導機制，在關斷時會產(chǎn)生所謂的“拖尾電流”，即在柵極信號關斷后，電流仍需相當長的時間才能完全降至零 。這導致了IGBT在關斷期間產(chǎn)生巨大的能量損耗 。相比之下，SiC MOSFET是單極性器件，沒有少數(shù)載流子效應，因此關斷時不存在拖尾電流，其漏極電流 ID? 能夠迅速下降，從而極大地降低了關斷損耗 。在某項實驗中，SiC MOSFET的關斷損耗比IGBT降低了約78% 。

2.4 雙脈沖測試（DPT）在波形分析中的應用

雙脈沖測試（DPT）是評估和表征SiC MOSFET動態(tài)性能（包括開關損耗、開關速度和過沖）的行業(yè)標準方法 。該測試通過施加兩個脈沖信號，精確控制器件的導通和關斷，并利用示波器同步測量其電壓和電流波形。通過分析這些波形，工程師可以提取和計算出所有的動態(tài)性能指標 。

DPT不僅用于量化損耗，更是診斷設計問題的關鍵工具。例如，在實際測量中，測試平臺和探針的寄生參數(shù)會顯著增加測量到的電感值。為了獲得準確的器件雜散電感，必須進行補償測量，即移除器件后僅測量基板的電感，然后從原始測量值中減去這一補償值 。這突顯了在高速開關測試中，對寄生效應的深刻理解是進行準確測量和分析的前提。

第三章：非理想效應：寄生參數(shù)、過沖與振鈴的深層機理

3.1 換流回路雜散電感（Ld?）的影響：電壓過沖與振蕩

主換流回路的雜散電感（Ld?）是導致開關波形畸變的主要根源。在開通或關斷瞬態(tài)過程中，漏極電流 ID? 會以極高的 di/dt 速率變化。當電流流經(jīng) Ld? 時，會產(chǎn)生一個感應電壓 VLd?=?Ld??di/dt。這個感應電壓會疊加在漏源電壓 VDS? 上，導致 VDS? 在關斷時出現(xiàn)超過母線電壓的過沖，并在導通時出現(xiàn)暫態(tài)振蕩 。由于SiC器件能夠實現(xiàn)更快的開關速度，其 di/dt 遠高于Si器件，因此其電壓過沖也通常高得多 。這種過沖會增加器件的電氣應力，如果超過額定擊穿電壓，可能導致器件損壞 。

過沖和振蕩本質上是雜散電感 Ld? 與器件的寄生輸出電容 COSS? 之間形成RLC諧振回路的結果 。這種能量在電感和電容之間來回傳遞的諧振，不僅增加了開關損耗，也產(chǎn)生了嚴重的高頻電磁干擾（EMI），這會限制系統(tǒng)的最高開關頻率，并可能導致EMI測試不合格 。因此，最大限度地減小換流回路面積，從而降低雜散電感，是優(yōu)化SiC功率變換器設計的首要任務 。

3.2 柵極驅動回路寄生電感（LG?）的影響：柵源振鈴與誤導通

柵極驅動回路中的寄生電感 LG? 同樣會對開關波形產(chǎn)生負面影響。它與MOSFET的輸入電容 CISS? 構成一個諧振回路，導致柵源電壓 VGS? 在開關瞬間出現(xiàn)振鈴 。在半橋拓撲中，這種振鈴尤為危險。當對側開關（例如上管）快速關斷時，其高 dV/dt 會通過米勒電容 CGD? 在下管的柵極驅動回路中感應出一個電流。該電流在柵極寄生電感 LG? 上產(chǎn)生感應電壓，可能導致下管的 VGS? 被拉高，甚至超過閾值電壓 Vth?，從而引起器件的“部分導通”或“誤導通”現(xiàn)象 。如果上下管同時部分導通，可能導致災難性的“直通”（Shoot-through）故障，造成器件永久性損壞 。

為了解決這個問題，柵極驅動回路必須進行優(yōu)化。一個重要的考慮因素是負柵極偏壓 。與0V關斷相比，提供負柵極偏壓（如-3V）可以為

VGS? 尖峰提供更大的裕度，從而有效防止誤導通 。此外，米勒鉗位等有源柵極驅動技術也能在 VGS? 下降到特定閾值以下時，快速將柵極電壓拉低，從而有效抑制柵極振鈴和部分導通電流 。

3.3 源極雜散電感（LS?）的共模影響：減緩開關速度與增加損耗

源極雜散電感 LS? 是一個獨特的寄生參數(shù)，因為它對柵極驅動回路和主功率回路都產(chǎn)生了影響 。在MOSFET的導通過程中，主回路電流

ID? 流經(jīng) LS? 時，會產(chǎn)生一個感應電壓 VLS?=LS??di/dt。這個電壓與柵極驅動信號的電壓極性相反，因此會降低實際作用于柵源極的有效電壓 VGS,eff?=Vdrive??VLS? 。這種負反饋效應會減緩柵極電壓的上升速率，從而降低開關速度并增加導通損耗 。

為了消除 LS? 的這種負面影響，業(yè)界普遍采用“開爾文源”（Kelvin Source）連接方式 。這種封裝技術為柵極驅動信號提供一個獨立的返回路徑，使其與主功率電流的返回路徑分離。通過將柵極驅動器連接到獨立的開爾文源引腳，可以確保實際作用于柵源極的電壓不受主回路電流 di/dt 的影響，從而最大限度地發(fā)揮SiC器件的高速開關能力 。

第四章：調控與優(yōu)化：柵極驅動和PCB布局的設計實踐

4.1 柵極驅動的藝術：從DC偏置到動態(tài)調控

柵極驅動器是控制SiC MOSFET開關性能的“核心”。其設計直接決定了 di/dt 和 dV/dt 的速率，進而影響開關損耗、過沖、振鈴和EMI。

柵極電阻（RG?）的選擇：RG? 是最直接的開關速度調節(jié)手段。減小 RG? 可以加快柵極電容的充放電，從而加快開關速度并降低開關損耗 。然而，這也會導致更高的 di/dt 和 dV/dt，加劇過沖和振鈴 。因此， RG? 的選擇是一個典型的設計權衡問題。為了獨立優(yōu)化導通和關斷過程，通常會使用獨立的導通電阻 RG(on)? 和關斷電阻 RG(off)?。

負柵極偏壓與米勒鉗位：為了確保在關斷時器件的可靠性，通常建議使用負柵極偏壓（如-4V到0V） 。這為由米勒效應引起的

VGS? 尖峰提供了足夠的裕度，有效避免了誤導通 。對于一些成本或空間受限的應用，0V關斷是可行的，但需要采取其他補償措施，例如使用更小的 RG(off)? 和米勒鉗位 。米勒鉗位是一種有源技術，它能在 VGS? 下降至特定閾值后，快速地將柵極電壓拉至0V或負值，從而有效地抑制柵極振鈴并防止部分導通 。

4.2 終極方案：PCB布局的黃金法則

“最好的解決方案是布局”。即使使用最先進的器件和驅動器，糟糕的PCB布局也會抵消所有性能優(yōu)勢 。為了最大限度地減小寄生效應，必須遵循以下黃金法則：

高頻回路的最小化設計：這是減少雜散電感的根本。高頻（高 di/dt）回路包括從直流母線電容到MOSFET、再到負載的電流路徑 。通過將高頻去耦電容緊密放置在器件附近，并利用多層PCB設計，可以顯著減小回路面積。例如，可以使用內層作為電流的返回路徑，從而形成一個非常小的垂直高頻回路，其電感遠低于傳統(tǒng)的水平回路 。

Kelvin源連接：在第三章中已論述，源極雜散電感 LS? 是導致開關速度下降和損耗增加的主要原因之一 。采用帶有獨立開爾文源引腳的SiC MOSFET，將柵極驅動信號的返回路徑與功率回路中的源極電流路徑分離，可以從根本上消除 LS? 對 VGS? 的影響，確保柵極驅動信號的完整性 。

關鍵元器件的緊湊與對稱布局：將柵極驅動器IC、柵極電阻和旁路電容等關鍵元器件放置在盡可能靠近器件引腳的位置 。對于多器件并聯(lián)應用，確保走線長度和電感對稱，以實現(xiàn)良好的均流特性和熱管理 。

第五章：環(huán)境與特性：溫度及與其他器件的比較

5.1 溫度對SiC MOSFET靜態(tài)與動態(tài)特性的影響

結溫對SiC MOSFET的性能具有復雜且顯著的影響。 首先，在靜態(tài)特性方面，器件的導通電阻 (RDS(on)?) 會隨結溫的升高而升高，但其上升率遠低于Si MOSFET 。例如，在25°C至100°C范圍內，SiC MOSFET的 RDS(on)? 變化系數(shù)約為1.13，而典型的Si MOSFET則為1.67 。這使得SiC器件在高溫下仍能保持較低的導通損耗，簡化了熱管理設計 。然而， RDS(on)? 與溫度的關系也受到柵極電壓的影響。在較低的柵極電壓下，它甚至可能呈現(xiàn)負溫度系數(shù)特性 。

其次，在動態(tài)特性方面，閾值電壓 (Vth?) 會隨溫度的升高而降低 。這導致開通過程提前，使得開通損耗 ( Eon?) 隨著結溫的升高而增加 。相反，由于 Vth? 的降低使得關斷過程延后，關斷損耗 (Eoff?) 則會隨著結溫的升高而降低 。因此，結溫對總開關損耗的影響是一個復雜的權衡，取決于具體的工況條件 。此外，長期的電熱應力可能導致柵極氧化層退化，引起 Vth? 漂移，進而影響器件的均流特性和長期可靠性 。

5.2 SiC MOSFET與傳統(tǒng)器件的開關性能比較

SiC MOSFET的出現(xiàn)正在改變功率器件的格局，其在開關特性上對傳統(tǒng)硅器件具有顯著優(yōu)勢。

SiC MOSFET vs. Si IGBT：告別拖尾電流 SiC MOSFET與Si IGBT最大的區(qū)別在于其關斷行為。IGBT是一種少數(shù)載流子器件，其固有的“拖尾電流”問題導致在關斷時需要較長的時間才能使電流降至零，在此期間會產(chǎn)生巨大的損耗 。而SiC MOSFET是單極性器件，沒有少數(shù)載流子存儲，因此其關斷時電流能夠迅速下降，不存在拖尾電流，其關斷損耗極小 。這使得SiC MOSFET在總開關損耗上對IGBT具有壓倒性優(yōu)勢，從而實現(xiàn)更高的開關頻率和更緊湊的系統(tǒng)設計 。

SiC MOSFET vs. Si MOSFET：高溫下的導通與二極管恢復優(yōu)勢 與Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高壓應用和高溫特性上。SiC MOSFET在高溫下的導通電阻上升率更低 ，這使其在高壓大功率應用中具有顯著的效率優(yōu)勢 。此外，SiC MOSFET的體二極管（或內置SBD）具有優(yōu)異的反向恢復特性 。SiC肖特基二極管是一種單極器件，其反向恢復時間幾乎為零，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的Si快恢復二極管（FRD）。這意味著在開通時，SiC MOSFET的體二極管（或SBD）幾乎不會產(chǎn)生反向恢復電流，從而顯著降低了開通損耗和由二極管反向恢復引起的EMI 。

第六章：結論與展望

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：

傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務聚焦三大方向：

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公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉型”為使命，響應國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。

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SiC MOSFET的開關行為是其卓越性能的核心，也是其應用中需要重點關注的挑戰(zhàn)。本報告的分析表明，對開關波形進行深度解析是理解器件性能、診斷設計問題并最終實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵。高速開關帶來的非理想效應，如電壓過沖和振鈴，是能量在寄生電感和電容之間傳遞的必然結果。通過雙脈沖測試等表征方法，工程師可以準確地識別這些問題。

從設計實踐層面看，對SiC MOSFET的優(yōu)化是一個系統(tǒng)工程，涉及柵極驅動器選擇、PCB布局設計和熱管理策略等多個方面。特別需要強調的是，通過最小化高頻回路的雜散電感并采用開爾文源連接，可以從根本上抑制過沖和振鈴，從而最大限度地發(fā)揮SiC器件的潛能。雖然SiC在短路能力等某些方面仍弱于IGBT ，但在高頻高壓應用中，其無拖尾電流和優(yōu)異的體二極管特性所帶來的低損耗優(yōu)勢使其成為不可替代的選項。展望未來，隨著集成化柵極驅動器和低寄生封裝技術的不斷發(fā)展，SiC MOSFET的應用將變得更加簡便和可靠，進一步推動電力電子技術的革新。

審核編輯 黃宇