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如何選取SiC MOSFET的Vgs門極電壓及其影響

發(fā)布時(shí)間:2022-06-15 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在IGBT時(shí)代,門極電壓的選擇比較統(tǒng)一,無(wú)非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V這幾檔。而在新興的SiC MOSFET領(lǐng)域,還未有約定俗成的門極電壓規(guī)范。本文愿就SiC MOSFET的門極電壓選擇上的困惑,提供些有用的參考。


下文所述,主要以英飛凌工業(yè)1200V SiC MOSFET的M1H系列產(chǎn)品與應(yīng)用為參考,其他不同電壓等級(jí)或不同廠家的SiC產(chǎn)品,不盡相同。


在SiC產(chǎn)品的規(guī)格書中,都會(huì)有SiC Vgs電壓范圍和推薦電壓區(qū)間(如圖1所示),以供大家在實(shí)際應(yīng)用中參考。但是推薦非強(qiáng)制,關(guān)于Vgs的關(guān)斷電壓,既可0V,也可負(fù)壓。


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圖1.IMBG120R030M1H規(guī)格書Vgs說明


備注1:今年(2022)新出的M1H單管系列,其門極Vgs電壓的負(fù)壓極值,從上述的-7V進(jìn)一步擴(kuò)展到-10V,使得客戶的負(fù)壓選取更加靈活,同時(shí)門極的AC BTI特性也得到大幅提升。


萬(wàn)變不離其宗,其實(shí)無(wú)論器件的門極電壓范圍如何變化,落實(shí)到應(yīng)用層面:到底如何選取SiC門極電壓?應(yīng)該考慮哪些方面?性能與可靠性如何取舍?讀罷此文,自然撥云見日。


01 SiC MOSFET的Vgs正壓對(duì)Rdson和Esw的影響


以英飛凌工業(yè)1200V/M1H系列SiC單管為例,如圖1所示,Vgs最高正壓為23V,考慮5V余量,實(shí)際應(yīng)用可選擇15V或18V作為開通電壓。


1.1 Vgs正壓越高,其Rdson越小


工業(yè)1200V/M1H規(guī)格書Rdson標(biāo)定值,皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V適之,則Rdson還會(huì)增加。舉例:


Rdson=30mOhm@Vgs=+18V,

則Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。


1.2 Vgs正壓越高,其Esw也越小(Eon)


為了更直觀說明不同Vgs正壓對(duì)Esw的影響,利用官網(wǎng)的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H),搭建了簡(jiǎn)單的仿真電路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm),如圖2和圖3所示,是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真結(jié)果。正壓Vgs越高,其Eon越小。因此,對(duì)于開關(guān)頻率高或者只有Eon或Eoff的軟開關(guān)場(chǎng)合,猶需關(guān)注。


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圖2.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對(duì)SiC開關(guān)特性的影響(25C)


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圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對(duì)SiC開關(guān)特性的影響(25C)


因此,如果選擇正壓15V驅(qū)動(dòng),相對(duì)18V而言,不僅會(huì)犧牲導(dǎo)通損耗(Rdson),也會(huì)增加一些開關(guān)損耗(Eon)。當(dāng)然15V驅(qū)動(dòng)也有好處,受益于開通速度的降低,開通的overshoot有所改善,對(duì)于Vgs寄生導(dǎo)通會(huì)有一定幫助。


02 SiC MOSFET的Vgs負(fù)壓對(duì)Rdson和Esw的影響


2.1 Vgs負(fù)壓不同,其Rdson不變


2.2 Vgs負(fù)壓越低,其Esw越低(Eoff)


同樣,我們看下不同Vgs負(fù)壓的仿真結(jié)果,如圖4和圖5所示:


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圖4.不同Vgs負(fù)壓(Vgs=0V和-3V),對(duì)SiC開關(guān)特性的影響(25C)


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圖5.不同Vgs負(fù)壓(Vgs=0V和-3V),對(duì)SiC開關(guān)特性的影響(25C)


因此,如果選擇Vgs=-3V關(guān)斷,對(duì)于SiC的Rdson無(wú)所助益,但是對(duì)關(guān)斷損耗Eoff的減小還是比較明顯的,尤其對(duì)一些只有關(guān)斷損耗Eoff的場(chǎng)合收益明顯。同時(shí)選擇Vgs=-3V對(duì)降低開通時(shí)刻的寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)也是立竿見影。


那么,我們直接選擇Vgs=+18V/-3V,

豈不是皆大歡喜?

關(guān)于這個(gè)問題,其實(shí)沒有標(biāo)準(zhǔn)答案:應(yīng)用不同,答案不同,設(shè)計(jì)不同,答案也不同……


因?yàn)椋赟iC器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中,除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外,可靠性和魯棒性也是不可忽視的一部分。尤其是Vgs電壓對(duì)短路特性和門極可靠性的影響。


03 SiC MOSFET的Vgs電壓對(duì)短路特性的影響


承接上文的問題,為什么不能直接以Vgs=+18V/-3V,“放之四海而皆準(zhǔn)”。


首先Vgs正壓18V或15V直接關(guān)系到SiC的短路特性之有無(wú),而有些應(yīng)用又對(duì)器件短路能力剛需,則只能選擇15V,而選擇Vgs=18V則意味著器件失去了短路耐受能力。


與此同時(shí),與IGBT的短路耐受類似,不同的母線電壓也會(huì)影響其短路耐受時(shí)間。


一言以蔽之,SiC MOSFET的短路耐受能力,相比類似電流規(guī)格的IGBT要差很多。其實(shí)也不難理解,畢竟在MOSFET的Si時(shí)代,如英飛凌引以為傲的CoolMOS家族,都是沒有短路耐受能力的,所謂的短路耐受只是IGBT應(yīng)用的延續(xù)與遺產(chǎn)。


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圖6.SiC MOSFET的短路特性


關(guān)于為啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短,簡(jiǎn)而言之,就是電流大、面積小、熱層薄導(dǎo)致的短路能量密度遠(yuǎn)超IGBT短路的情況(約20倍),具體可參見下面的圖7所述:


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圖7.SiC與IGBT的短路能量密度對(duì)比


04 SiC MOSFET的Vgs電壓對(duì)門極可靠性的影響


繼續(xù)承接上文的問題,講完Vgs正壓選取與短路特性之后,我們?cè)倏纯碫gs關(guān)斷負(fù)壓與門極可靠性的問題。關(guān)于這個(gè)熱門問題,英飛凌之前專門推出過一份內(nèi)容詳實(shí)堪稱業(yè)界典范的白皮書,并且在不同場(chǎng)合和平臺(tái)都給大家做過深入的剖析和講解。核心內(nèi)容,如圖8所示:


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圖8.SiC門極氧化層可靠性挑戰(zhàn)與英飛凌SiC可靠性白皮書簡(jiǎn)介


具體的在這里就不贅述了,請(qǐng)參見下面的鏈接:

“英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導(dǎo)體器件的可靠性”


我們繼續(xù)聊Vgs負(fù)壓選取的問題,在常見的半橋拓?fù)渲?,大多存在由米勒電容和源極電感產(chǎn)生的Vgs尖峰,分別為開通時(shí)刻的overshoot和關(guān)斷時(shí)刻的undershoot。


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圖9.SiC MOSFET門極Vgs的overshoot和undershoot示意圖


Vgs的負(fù)壓選取,既要overshoot不超過門檻電壓Vgs.th,也要undershoot不超過Vgs.min限值。


05 總 結(jié)


綜上所述,選取合適的Vgs電壓,除了參考規(guī)格書的推薦值之外,不僅要考慮對(duì)Rdson的變化,也要考慮對(duì)Esw的影響,同時(shí)要兼顧所在應(yīng)用和設(shè)計(jì)中,對(duì)可靠性的相關(guān)要求,最終的Vgs電壓值,一定是折衷與優(yōu)化的結(jié)果,如圖10所示。


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圖10.SiC驅(qū)動(dòng)電壓Vgs選取與評(píng)估的綜合考量參考


古人云:水無(wú)常勢(shì)、人無(wú)常形。授人以魚不如授人以漁。


掌握Vgs電壓的選取與評(píng)估的方法,遠(yuǎn)勝于人云亦云的所謂經(jīng)驗(yàn)Vgs電壓值。



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