SiC碳化硅MOSFET串?dāng)_的本征機(jī)理與根本解法:基于器件層面電容分壓與足夠深的負(fù)壓關(guān)斷

碳化硅MOSFET的串?dāng)_問(wèn)題并非不可戰(zhàn)勝的頑疾,其本質(zhì)是器件寄生參數(shù)在高dV/dt激勵(lì)下的物理響應(yīng)。市面上常見(jiàn)的有源米勒鉗位、外并電容等措施,受限于物理阻抗瓶頸和效率損耗,只能在應(yīng)用層面做有限的補(bǔ)救,屬于“隔靴搔癢”。

真正的根本解決辦法在于回歸器件物理本源:
利用電容分壓原理:通過(guò)先進(jìn)的芯片工藝將 Crss?/Ciss? 比率壓低至千分之二(0.002)量級(jí),從源頭上將感應(yīng)電壓“扼殺”在安全閾值之下。
構(gòu)筑負(fù)壓防線:利用 -5V 的深負(fù)壓關(guān)斷,為高溫下降低的閾值電壓提供堅(jiān)實(shí)的“護(hù)城河”,確保在任何瞬態(tài)干擾下器件都能死死鎖住在關(guān)斷狀態(tài)。
傾佳電子(Changer Tech)是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)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(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向,代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管,SiC碳化硅MOSFET功率模塊,SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?
傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊,助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)!
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然,勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭:
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)!
傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)!
傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)!
隨著以碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在固態(tài)變壓器SST、儲(chǔ)能變流器PCS、Hybrid inverter混合逆變器、戶儲(chǔ)、工商業(yè)儲(chǔ)能PCS、構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能PCS、集中式大儲(chǔ)PCS、商用車電驅(qū)動(dòng)、礦卡電驅(qū)動(dòng)、風(fēng)電變流器、數(shù)據(jù)中心HVDC、AIDC儲(chǔ)能、服務(wù)器電源、重卡電驅(qū)動(dòng)、大巴電驅(qū)動(dòng)、中央空調(diào)變頻器、光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)以及高密度電源轉(zhuǎn)換器中的大規(guī)模應(yīng)用,功率電子行業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)由開(kāi)關(guān)速度(dV/dt)和功率密度驅(qū)動(dòng)的革命。然而,SiC MOSFET器件特有的超高速開(kāi)關(guān)特性——其漏源電壓變化率(dVDS?/dt)常超過(guò)50 V/ns甚至達(dá)到100 V/ns——引發(fā)了嚴(yán)峻的柵極串?dāng)_(Crosstalk)挑戰(zhàn)。串?dāng)_現(xiàn)象表現(xiàn)為在器件關(guān)斷狀態(tài)下,由于互補(bǔ)橋臂的高速動(dòng)作而在柵極感應(yīng)出寄生電壓尖峰,若處理不當(dāng),將導(dǎo)致器件誤導(dǎo)通(False Turn-on),進(jìn)而引發(fā)直通短路(Shoot-through),不僅增加開(kāi)關(guān)損耗,更嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)存在多種抑制串?dāng)_的工程手段,包括有源米勒鉗位(Active Miller Clamp, AMC)、外并聯(lián)柵源電容(Cgs,ext?)以及增加關(guān)斷柵極電阻等。然而,基于對(duì)半導(dǎo)體物理機(jī)制的深入剖析以及對(duì)基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)B3M/BMF系列與行業(yè)競(jìng)品(Wolfspeed, Infineon, STMicroelectronics等)Datasheet數(shù)據(jù)的詳盡對(duì)比分析,有源米勒鉗位(Active Miller Clamp, AMC)、外并聯(lián)柵源電容(Cgs,ext?)以及增加關(guān)斷柵極電阻外部電路措施本質(zhì)上均為“隔靴搔癢”式的補(bǔ)救手段,往往以犧牲器件的動(dòng)態(tài)性能或增加系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)。

真正解決SiC MOSFET串?dāng)_問(wèn)題的根本辦法(Fundamental Solution)在于器件層面的本征優(yōu)化與驅(qū)動(dòng)策略的深度結(jié)合:即通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)極低的反向傳輸電容與輸入電容之比(Crss?/Ciss?) ,構(gòu)建具有極強(qiáng)衰減能力的內(nèi)部分壓網(wǎng)絡(luò);同時(shí)配合足夠深的負(fù)壓關(guān)斷余量(Deep Negative Bias, typically -5V) ,以抵消高溫下閾值電壓(Vth?)的漂移效應(yīng)。唯有從這兩點(diǎn)入手,方能在保留SiC高速低損耗特性的前提下,實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的抗串?dāng)_免疫。
第一章 高頻開(kāi)關(guān)環(huán)境下串?dāng)_現(xiàn)象的物理本源
要理解為何外部抑制措施僅是“隔靴搔癢”,必須首先深入解構(gòu)SiC MOSFET在納秒級(jí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)下的物理行為。與傳統(tǒng)硅基IGBT不同,SiC MOSFET是單極性器件,且漂移層更薄、摻雜濃度更高,這賦予了其極低的結(jié)電容和極快的開(kāi)關(guān)速度,但也使得其柵極對(duì)寄生參數(shù)的敏感度呈指數(shù)級(jí)上升。

1.1 米勒效應(yīng)與位移電流的微觀機(jī)制
在典型的半橋(Half-Bridge)拓?fù)渲?,上下橋臂的SiC MOSFET交替導(dǎo)通。當(dāng)上管(High-Side Device)接收到開(kāi)通指令并開(kāi)始導(dǎo)通時(shí),其漏源電壓(VDS?)迅速下降。由于半橋中點(diǎn)的電位被強(qiáng)制拉高,處于關(guān)斷狀態(tài)的下管(Low-Side Device)將承受一個(gè)極高的正向電壓變化率(dVDS?/dt)。
此時(shí),下管必須被視為一個(gè)由寄生電容構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。其中,連接?xùn)艠O(Gate)與漏極(Drain)的反向傳輸電容(Crss?,即Cgd?)扮演了關(guān)鍵的耦合通道角色。根據(jù)電容的電流-電壓微分關(guān)系 i=C?dtdV?,漏極電壓的劇烈變化將在Crss?上激發(fā)出瞬態(tài)位移電流(Displacement Current),即米勒電流(Miller Current, iM?):
iM?=Crss?(VDS?)?dtdVDS??
由于SiC器件的dV/dt能力極強(qiáng)(>50 V/ns),即便Crss?僅為幾十皮法(pF),所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流也可高達(dá)數(shù)安培。例如,對(duì)于一個(gè)Crss?為20pF的器件,在100 V/ns的電壓跳變下,將產(chǎn)生2A的瞬態(tài)電流 。
這股電流必須從漏極流向柵極,并通過(guò)柵極回路流回源極(Source)。在這個(gè)過(guò)程中,柵極回路的總阻抗決定了最終疊加在柵極氧化層上的電壓幅值。然而,問(wèn)題的核心在于,即便柵極驅(qū)動(dòng)回路的阻抗為零,器件內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)依然構(gòu)成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。
1.2 本征電容分壓器模型
為了剝離外部驅(qū)動(dòng)電路的影響,透視問(wèn)題的本質(zhì),我們可以將處于關(guān)斷狀態(tài)的SiC MOSFET等效為一個(gè)純粹的電容分壓網(wǎng)絡(luò)。在該模型中,柵極節(jié)點(diǎn)(Internal Gate Node)位于兩個(gè)電容之間:
上方電容:反向傳輸電容 Crss?(即Cgd?),連接漏極高壓端。
下方電容:輸入電容 Ciss? 的主要組成部分——柵源電容 Cgs?,連接源極低壓端。
當(dāng)漏極電壓發(fā)生 ΔVDS? 的跳變時(shí),根據(jù)電荷守恒原理,如果忽略外部泄漏和驅(qū)動(dòng)回路的初始影響,感應(yīng)到柵極內(nèi)部的電壓變化量 ΔVGS? 由兩個(gè)電容的阻抗比決定。在高頻瞬態(tài)下,阻抗 Z=1/jωC,因此分壓關(guān)系與電容值成反比:
VGS,induced?≈VDS??Crss?+Cgs?Crss??=VDS??Ciss?Crss??
這個(gè)公式揭示了串?dāng)_問(wèn)題的物理本質(zhì):感應(yīng)電壓的大小直接取決于器件內(nèi)部寄生電容的比值(Capacitance Ratio) 。這是一個(gè)純粹由器件晶圓設(shè)計(jì)(Die Design)決定的本征參數(shù)。
如果這個(gè)比值過(guò)大(例如 1:50),那么在800V的母線電壓沖擊下,柵極將本能地感應(yīng)出16V的電壓。這種電壓水平不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了SiC MOSFET通常2V-4V的開(kāi)啟閾值(Vth?),甚至可能接近柵極氧化層的擊穿電壓(通常為-10V/+22V左右),導(dǎo)致器件的永久性失效或壽命劇減 3。
1.3 閾值電壓的溫度漂移特性
SiC MOSFET的物理特性決定了其閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficient)。隨著結(jié)溫(Tj?)的升高,電子在溝道表面的遷移率特性發(fā)生變化,導(dǎo)致Vth?顯著降低。
依據(jù)基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)提供的B3M系列Datasheet數(shù)據(jù) :
在室溫(25°C)下,典型閾值電壓約為 2.7V。
在高溫(175°C)下,典型閾值電壓降低至 1.9V。
這意味著在實(shí)際工況的高溫環(huán)境下,器件抵抗誤導(dǎo)通的“防線”被迫后撤了近0.8V-1.0V。對(duì)于一個(gè)僅僅依靠0V關(guān)斷的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),1.9V的安全裕量在高達(dá)100 V/ns的dV/dt噪聲環(huán)境中顯得極其脆弱。任何微小的電感耦合或電容分壓效應(yīng),只要產(chǎn)生超過(guò)1.9V的電壓尖峰,就會(huì)導(dǎo)致上下橋臂直通,引發(fā)災(zāi)難性的短路電流。
因此,串?dāng)_問(wèn)題的根本機(jī)理可以概括為:在高頻高壓的開(kāi)關(guān)動(dòng)作下,SiC MOSFET固有的米勒電容將漏極電壓瞬變耦合至柵極,其幅值由器件的電容比率決定;而SiC材料較低且隨溫度下降的閾值電壓,使得這一耦合電壓極易突破安全界限,造成誤導(dǎo)通。
第二章 為什么外部抑制措施只是“隔靴搔癢”
在工程實(shí)踐中,為了應(yīng)對(duì)串?dāng)_問(wèn)題,設(shè)計(jì)人員往往采用多種外部電路方案。然而,通過(guò)對(duì)電路寄生參數(shù)的量化分析,可以證明這些方案都未能觸及問(wèn)題的核心,且往往伴隨著嚴(yán)重的性能懲罰。

2.1 有源米勒鉗位(AMC)的局限性與阻抗瓶頸
有源米勒鉗位(Active Miller Clamp)是傳統(tǒng)硅基IGBT驅(qū)動(dòng)中常用的技術(shù)。其原理是在檢測(cè)到柵極電壓低于某一閾值后,通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的一個(gè)輔助晶體管將柵極直接短接到負(fù)電源或地,試圖提供一個(gè)低阻抗通路來(lái)泄放米勒電流。
然而,在SiC MOSFET的應(yīng)用場(chǎng)景中,AMC面臨著無(wú)法克服的物理障礙:內(nèi)部柵極電阻(RG,int?) 。
SiC MOSFET芯片內(nèi)部,從邦定點(diǎn)(Bonding Pad)到實(shí)際的MOS元胞(Cell)之間,存在著由多晶硅柵極材料和金屬互連線構(gòu)成的分布電阻。
查閱基本半導(dǎo)體B3M011C120Y的規(guī)格書(shū) 4,其內(nèi)部柵極電阻 RG,int? 典型值為 1.5Ω。
對(duì)于模塊產(chǎn)品如BMF120R12RB3 4,該值約為 0.7Ω。
當(dāng)高速dV/dt產(chǎn)生巨大的米勒電流(例如3A - 5A)時(shí),這股電流必須流經(jīng)RG,int?才能到達(dá)外部的驅(qū)動(dòng)器引腳。根據(jù)歐姆定律,僅在芯片內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生壓降:
Vdrop?=IMiller??RG,int?≈3A?1.5Ω=4.5V
這意味著,即便外部的AMC電路反應(yīng)速度無(wú)限快、阻抗為零,能夠?qū)⑼獠繓艠O引腳完美鉗位在-5V,芯片內(nèi)部最核心的柵極氧化層電位依然會(huì)被抬升4.5V,達(dá)到-0.5V。如果外部關(guān)斷電壓僅為0V,那么內(nèi)部柵極電位將直接飆升至4.5V,瞬間超過(guò)閾值電壓(1.9V),引發(fā)誤導(dǎo)通 。
此外,AMC電路本身存在動(dòng)作延遲。SiC的開(kāi)關(guān)過(guò)程往往在十幾個(gè)納秒內(nèi)完成 7,而AMC電路的檢測(cè)和動(dòng)作延時(shí)通常在幾十納秒量級(jí),往往在鉗位電路起作用之前,第一波也是最危險(xiǎn)的電壓尖峰已經(jīng)發(fā)生。因此,依賴AMC來(lái)解決SiC串?dāng)_,如同在洪水爆發(fā)后才開(kāi)始堆沙袋,無(wú)法從源頭消除隱患。
2.2 外并聯(lián)電容(Cgs,ext?)的效率懲罰
另一種常見(jiàn)的做法是在柵極和源極之間并聯(lián)一個(gè)外部電容,旨在人為增大Ciss?,從而優(yōu)化分壓比:
Rationew?=Ciss?+Cext?Crss??
雖然這種方法在理論上降低了感應(yīng)電壓的幅值,但它引入了巨大的副作用——開(kāi)關(guān)損耗的激增。
柵極驅(qū)動(dòng)電路必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)這個(gè)額外的電容進(jìn)行充放電。這不僅增加了驅(qū)動(dòng)功率損耗(Pdrv?=Qg??Vgs??fsw?),更嚴(yán)重的是,它顯著降低了柵極電壓的上升和下降斜率(Slew Rate)。
SiC MOSFET的核心優(yōu)勢(shì)在于其極短的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間(trise?,tfall?),這使得其開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓-電流重疊損耗(Overlap Loss)極低。人為增加Cgs?會(huì)直接延長(zhǎng)這個(gè)重疊時(shí)間,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗(Eon?,Eoff?)成倍增加 5。為了解決一個(gè)可靠性問(wèn)題而犧牲掉SiC最核心的效率優(yōu)勢(shì),無(wú)疑是一種“因噎廢食”的策略。
2.3 增大關(guān)斷柵極電阻(Rg,off?)的妥協(xié)
增加關(guān)斷電阻可以降低dV/dt,從而減小米勒電流的幅值。但這同樣是一種以犧牲性能為代價(jià)的妥協(xié)。降低dV/dt直接意味著開(kāi)關(guān)速度變慢,損耗增加。對(duì)于追求高功率密度和高效率的SiC應(yīng)用而言,這違背了設(shè)計(jì)初衷 。
綜上所述,外部措施要么受限于物理連接(如內(nèi)部電阻阻擋了AMC的效果),要么以犧牲核心性能指標(biāo)為代價(jià)(如外接電容增加了損耗)。它們都未能解決“由于器件內(nèi)部電容比例不佳而產(chǎn)生高感應(yīng)電壓”這一根本矛盾,因此這些外部措施本質(zhì)為“隔靴搔癢”。

第三章 根本解決辦法之一:器件本征電容分壓比的極致優(yōu)化
既然外部電路無(wú)法觸及芯片內(nèi)部的電位分布,那么解決問(wèn)題的根本出路必然在于芯片本身的設(shè)計(jì)。這就引出了“根本解決辦法”的第一支柱:通過(guò)器件微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,構(gòu)建具有天然抗干擾能力的電容分壓比(Crss?/Ciss? Ratio)。

3.1 黃金比率的物理意義
前文公式 VGS?≈VDS??(Crss?/Ciss?) 表明,如果能將Crss?做得極小,或者在保持Crss?較低的同時(shí)適當(dāng)維持較大的Ciss?,就能將感應(yīng)電壓限制在安全范圍內(nèi)。
理想的目標(biāo)是,即便在最惡劣的dV/dt條件下(例如800V母線電壓瞬間施加),通過(guò)分壓原理計(jì)算出的柵極感應(yīng)電壓也應(yīng)低于器件的最小閾值電壓。即:
800V?Ratio
這意味著電容比率應(yīng)當(dāng)小于 0.0025(即1/400)。
3.2 行業(yè)主流器件的電容比率基準(zhǔn)測(cè)試
為了驗(yàn)證這一理論,并探究基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)在此方面的技術(shù)路線,我們基于提供的Datasheet以及Wolfspeed、Infineon、ST等競(jìng)品的數(shù)據(jù) ,進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)對(duì)比。
表1:1200V級(jí)SiC MOSFET本征電容比率橫向評(píng)測(cè)
3.3 數(shù)據(jù)深度解析:BASIC的設(shè)計(jì)哲學(xué)
從上表數(shù)據(jù)中可以清晰地觀察到,基本半導(dǎo)體(BASIC)的B3M系列和Wolfspeed的C3M系列在電容比率控制上處于行業(yè)領(lǐng)先水平,其比率均被壓低至 0.002 - 0.003 區(qū)間。 相比之下,Infineon和ST的同類產(chǎn)品比率在 0.006 至 0.015 之間,高出2到6倍。
這種差異并非偶然,而是源于深層的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)哲學(xué) :
極低的Crss?: 無(wú)論BASIC還是Wolfspeed,其Crss?均控制在10-20pF級(jí)別(針對(duì)分立器件)。這通常通過(guò)引入屏蔽柵(Shielded Gate)結(jié)構(gòu)或優(yōu)化的JFET區(qū)域設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn),利用源極電位屏蔽層將大部分漏極電場(chǎng)截?cái)?,使其無(wú)法直接耦合至柵極,從而大幅削減Cgd?。
適當(dāng)保留Ciss?: 注意到BASIC的Ciss?(6000 pF)顯著高于Infineon(1900 pF)。這看似增加了柵極驅(qū)動(dòng)電荷(Qg?),但在解決串?dāng)_問(wèn)題上卻是一個(gè)精妙的權(quán)衡。較高的Ciss?(主要是Cgs?)充當(dāng)了一個(gè)巨大的天然電荷“蓄水池”。當(dāng)米勒電流注入柵極時(shí),由于Cgs?很大,產(chǎn)生的電壓升(ΔV=Q/Cgs?)就被顯著攤薄了。
實(shí)戰(zhàn)推演:
假設(shè)在800V母線電壓下發(fā)生硬開(kāi)關(guān),VDS?在極短時(shí)間內(nèi)上升800V。
對(duì)于BASIC B3M011C120Y (Ratio 0.0023):
Vspike?≈800V×0.0023=1.84V
這個(gè)電壓低于其最小閾值電壓2.3V。這意味著,從物理層面上,該器件具有天然的免疫力。即便柵極完全懸空,它也不會(huì)誤導(dǎo)通。這就是所謂的“根本解決辦法”。
高達(dá)12V的感應(yīng)電壓將瞬間擊穿任何安全防線,必須依賴極強(qiáng)的外部有源鉗位電路才能勉強(qiáng)工作。
因此,基本半導(dǎo)體通過(guò)工藝手段實(shí)現(xiàn)的極低電容比率,從源頭上消除了產(chǎn)生高幅值串?dāng)_電壓的物理基礎(chǔ),使得外部抑制電路變得多余。
第四章 根本解決辦法之二:足夠深的負(fù)壓關(guān)斷余量
除了降低干擾電壓的幅值,另一個(gè)維度的解決思路是提高系統(tǒng)的抗干擾閾值。這就是“根本解決辦法”的第二支柱:使用足夠深的負(fù)壓(Deep Negative Bias)來(lái)關(guān)斷器件。
4.1 閾值電壓的“底線”保衛(wèi)戰(zhàn)
如前所述,SiC MOSFET的閾值電壓Vth?隨溫度升高而降低。對(duì)于基本半導(dǎo)體的B3M011C120Y,其Vth?從常溫的2.7V降至高溫下的1.9V。如果采用0V關(guān)斷,意味著只要干擾電壓超過(guò)1.9V,器件就會(huì)誤導(dǎo)通。
考慮到PCB走線電感引起的振蕩,以及Crss?非線性變化帶來(lái)的瞬態(tài)效應(yīng),1.9V的噪聲容限(Noise Margin)在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中是極其危險(xiǎn)的。
4.2 負(fù)壓關(guān)斷的數(shù)學(xué)邏輯
引入負(fù)壓關(guān)斷電壓(VGS(off)?=VEE?),實(shí)質(zhì)上是人為拉低了柵極的基準(zhǔn)電位,從而顯著提升了安全裕量。
安全裕量=Vth(min)?@Tj,max??(VEE?+Vspike?)
如果我們采用 -5V 作為關(guān)斷電壓:
基準(zhǔn)電位變?yōu)?-5V。
高溫閾值電壓為 1.9V。
器件要發(fā)生誤導(dǎo)通,柵極電壓必須從 -5V 上升到 +1.9V,總跨度需要 6.9V。
相比于0V關(guān)斷時(shí)的1.9V裕量,-5V負(fù)壓將抗干擾能力提升了 3.6倍。即便前文提到的電容分壓效應(yīng)產(chǎn)生了一個(gè)3V的尖峰,疊加在-5V的基礎(chǔ)上,柵極電壓也僅上升至-2V,依然處于絕對(duì)安全的深關(guān)斷區(qū)域。
4.3 行業(yè)推薦值的博弈:-5V vs 0V
通過(guò)對(duì)比各家廠商的Datasheet推薦值,我們可以看到基本半導(dǎo)體在這一策略上的堅(jiān)定性。
表2:各廠商推薦關(guān)斷電壓與閾值裕量分析
分析:
Infineon推廣0V關(guān)斷(其CoolSiC系列的Vth?設(shè)計(jì)得較高,達(dá)3.5V-4.5V),這簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路,但犧牲了部分的抗干擾裕量。
Wolfspeed推薦-4V,保留了較好的裕量。
基本半導(dǎo)體(BASIC) 則明確推薦 -5V 。這一策略與其低電容比率的設(shè)計(jì)相得益彰:
低比率確保了產(chǎn)生的尖峰很小(例如<2V)。
-5V深負(fù)壓確保了即便有尖峰,也距離閾值(+1.9V)有巨大的安全距離(>6V)。
這種“雙保險(xiǎn)”策略(物理層面的低感應(yīng) + 電路層面的高門(mén)檻)構(gòu)成了抑制串?dāng)_的完整閉環(huán),使得器件在極端惡劣的工況下也能由內(nèi)而外地保持“冷靜”。
第五章 基本半導(dǎo)體方案的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)與實(shí)施建議
5.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化與可靠性提升
采用“低電容比率 + 深負(fù)壓”這一根本方案,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了顯著的正面連鎖反應(yīng):
驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化:不再需要復(fù)雜的有源米勒鉗位電路,也不需要調(diào)試外并電容的大小。驅(qū)動(dòng)器只需提供標(biāo)準(zhǔn)的+18V/-5V電平即可,PCB布局更加簡(jiǎn)潔,寄生參數(shù)更易控制。
柵極氧化層壽命延長(zhǎng):雖然負(fù)壓增加了柵極氧化層的電場(chǎng)應(yīng)力,但由于從源頭上抑制了正向尖峰,避免了柵極電壓反復(fù)沖擊正向極限值,減少了柵極振蕩帶來(lái)的疲勞損傷。基本半導(dǎo)體的可靠性測(cè)試(如HTGB)驗(yàn)證了-5V長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性 。
EMI性能優(yōu)化:由于不需要通過(guò)增大柵極電阻來(lái)抑制串?dāng)_,設(shè)計(jì)者可以放心地使用較小的Rg?來(lái)追求極高的開(kāi)關(guān)速度,從而在不惡化EMI(因振蕩減少)的前提下,大幅降低開(kāi)關(guān)損耗。
5.2 實(shí)施建議
基于本報(bào)告的分析,針對(duì)使用基本半導(dǎo)體SiC MOSFET的工程師提出以下建議:
選型階段:優(yōu)先查閱Datasheet中的AC特性表,計(jì)算 Crss?/Ciss? 比率。優(yōu)選比率小于0.003的器件(如B3M系列)。
驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì):嚴(yán)格遵循廠家推薦,設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定輸出-5V關(guān)斷電壓的電源。避免使用單極性(0V)驅(qū)動(dòng),除非應(yīng)用場(chǎng)景dV/dt極低。
PCB布局:雖然器件本身具有抗擾能力,但仍需最小化驅(qū)動(dòng)回路的共源極電感(Common Source Inductance),建議采用凱爾文源極(Kelvin Source, 4-pin封裝)連接方式,以進(jìn)一步剝離功率回路對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的磁耦合干擾。
結(jié)論
深圳市傾佳電子有限公司(簡(jiǎn)稱“傾佳電子”)是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者:
綜上所述,碳化硅MOSFET的串?dāng)_問(wèn)題并非不可戰(zhàn)勝的頑疾,其本質(zhì)是器件寄生參數(shù)在高dV/dt激勵(lì)下的物理響應(yīng)。市面上常見(jiàn)的有源米勒鉗位、外并電容等措施,受限于物理阻抗瓶頸和效率損耗,只能在應(yīng)用層面做有限的補(bǔ)救,屬于“隔靴搔癢”。
真正的根本解決辦法在于回歸器件物理本源:
利用電容分壓原理:通過(guò)先進(jìn)的芯片工藝將 Crss?/Ciss? 比率壓低至千分之二(0.002)量級(jí),從源頭上將感應(yīng)電壓“扼殺”在安全閾值之下。
構(gòu)筑負(fù)壓防線:利用 -5V 的深負(fù)壓關(guān)斷,為高溫下降低的閾值電壓提供堅(jiān)實(shí)的“護(hù)城河”,確保在任何瞬態(tài)干擾下器件都能死死鎖住在關(guān)斷狀態(tài)。
基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)的B3M/BMF系列產(chǎn)品正是這一“根本解法”的典型代表,通過(guò)極致的參數(shù)優(yōu)化,為高頻功率變換器提供了無(wú)需額外復(fù)雜電路保護(hù)的魯棒性,釋放了寬禁帶半導(dǎo)體的全部潛能。
廠商
器件型號(hào)
Ciss? (Typ)
Crss? (Typ)
比率 (Crss?/Ciss?)
測(cè)試條件
BASIC
B3M011C120Y
6000 pF
14 pF
0.0023
800V, 100kHz
BASIC
B3M013C120Z
5200 pF
~14 pF*
~0.0027
800V, 100kHz
BASIC
BMF120R12RB3
7700 pF
20 pF
0.0026
800V, 100kHz
BASIC
BMF540R12KA3
33600 pF
70 pF
0.0021
800V, 100kHz
Wolfspeed
C3M0016120K
6085 pF
13 pF
0.0021
1000V, 1MHz
Infineon
IMZ120R045M1
1900 pF
13 pF
0.0068
800V, 1MHz
ROHM
SCT3022KL
2879 pF
14 pF
0.0049
800V, 1MHz

器件型號(hào)
推薦關(guān)斷電壓 VGS(off)?
VGS(th)? Min (25°C)
靜態(tài)安全裕量
BASIC B3M011C120Y
-5 V
2.3 V
7.3 V
BASIC BMF240R12KHB3
-5 V
2.7 V (Typ)
~7.7 V
Wolfspeed C3M0016120K
-4 V
1.8 V
5.8 V
Infineon IMZ120R045M1
0 V (允許 -5V)
3.5 V
3.5 V

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(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商,業(yè)務(wù)聚焦三大方向:
新能源:覆蓋光伏、儲(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施;
交通電動(dòng)化:服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)(電控、電池、電機(jī))及高壓平臺(tái)升級(jí);
數(shù)字化轉(zhuǎn)型:支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命,響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策(碳達(dá)峰、碳中和),致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管,BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET功率模塊,BASiC基本半導(dǎo)體SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。
-
MOSFET
+關(guān)注
關(guān)注
151文章
9602瀏覽量
232260 -
碳化硅
+關(guān)注
關(guān)注
26文章
3421瀏覽量
52048
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
SiC碳化硅MOSFET串擾抑制研究報(bào)告:基于電容分壓與負(fù)壓關(guān)斷機(jī)制全維解析
深度解析SiC碳化硅功率MOSFET米勒效應(yīng):物理機(jī)制、動(dòng)態(tài)影響與橋式電路中的串擾抑制
碳化硅(SiC)MOSFET模塊硬并聯(lián)中環(huán)流產(chǎn)生的根本機(jī)理及綜合抑制策略
碳化硅MOSFET串擾抑制策略深度解析:負(fù)壓關(guān)斷與寄生電容分壓的根本性優(yōu)勢(shì)
碳化硅MOSFET的串擾來(lái)源與應(yīng)對(duì)措施詳解
基于SiC碳化硅功率器件的c研究報(bào)告
碳化硅 (SiC) MOSFET 分立器件與功率模塊規(guī)格書(shū)深度解析與應(yīng)用指南
為什么“負(fù)壓夠深”是解決SiC MOSFET串擾問(wèn)題的最有力措施
傾佳電子SiC碳化硅MOSFET串擾抑制技術(shù):機(jī)理深度解析與基本半導(dǎo)體系級(jí)解決方案
基本半導(dǎo)體碳化硅(SiC)MOSFET低關(guān)斷損耗(Eoff)特性的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
傾佳電子提供SiC碳化硅MOSFET正負(fù)壓驅(qū)動(dòng)供電與米勒鉗位解決方案
麥科信光隔離探頭在碳化硅(SiC)MOSFET動(dòng)態(tài)測(cè)試中的應(yīng)用
超結(jié)MOSFET升級(jí)至650V碳化硅MOSFET的根本驅(qū)動(dòng)力分析
BASiC基本股份國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅MOSFET產(chǎn)品線概述
SiC碳化硅MOSFET功率器件雙脈沖測(cè)試方法介紹
SiC碳化硅MOSFET串?dāng)_的本征機(jī)理與根本解法:基于器件層面電容分壓與足夠深的負(fù)壓關(guān)斷
評(píng)論