聊一聊關(guān)于碳化硅雙脈沖測(cè)試中遇到的串?dāng)_問(wèn)題

第第頁(yè)聊一聊關(guān)于碳化硅雙脈沖測(cè)試中遇到的串?dāng)_問(wèn)題隨著寬禁帶（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C（ros）stalk）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?，?guī)格書中給到的門極電壓額定值一般都是±20V，負(fù)壓串?dāng)_對(duì)于門極的可靠性不會(huì)形成太大的挑戰(zhàn)。而碳化硅，門極的額定電壓并不像硅基那樣“充?！保旅媸且恍┏Ｒ?jiàn)碳化硅（芯片）供應(yīng)商門極電壓的匯總，

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)門極負(fù)額定電壓，將造成門極過(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門極回路的等效電路為

可見(jiàn)，V1決定了這個(gè)階段Q2門極電壓的變化趨勢(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門極回路的等效電路為

可見(jiàn)，V1決定了這個(gè)階段Q2門極電壓的變化趨勢(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門極回路的等效電路為

在Q2門極產(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)額定門極負(fù)壓，對(duì)門極可靠性造成影響。

[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)。

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Appl（ic）ationNo（te）《柵極-源極電壓的浪涌抑制方法》。

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)壓電源靠近門極，可以通過(guò)電容在門極附近預(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?。或者在效率上稍作讓步，達(dá)到能夠接受的抑制范圍。

另外在測(cè)試中，測(cè)量門極電壓時(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