你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

碳化硅器件驅(qū)動設計之寄生導通問題探討

發(fā)布時間:2022-12-16 來源:Future Electronics 責任編輯:wenwei

【導讀】富昌電子(Future Electronics)一直致力于以專業(yè)的技術服務,為客戶打造個性化的解決方案,并縮短產(chǎn)品設計周期。在第三代半導體的實際應用領域,富昌電子結(jié)合自身的技術積累和項目經(jīng)驗,落筆于SiC相關設計的系列文章。希望以此給到大家一定的設計參考,并期待與您進一步的交流。


上一篇我們先就SiC MOSFET的驅(qū)動電壓做了一定的分析及探討(SiC設計分享(一):SiC MOSFET驅(qū)動電壓的分析及探討)。本文作為系列文章的第二篇,將針對SiC MOS產(chǎn)品在驅(qū)動設計時遇到的寄生導通問題做出詳細的分析,從元器件以及應用層面給出一些設計建議,并結(jié)合閾值電壓的漂移問題做出簡單的說明。設計者在實際應用時,需要根據(jù)產(chǎn)品的本身定位在二者之間做一個平衡。


1 寄生導通產(chǎn)生機理


以下主要探討關于SiC器件驅(qū)動回路設計的要點,而如何選擇合適的門極驅(qū)動電壓也是整個驅(qū)動器設計的關鍵。對于開通來說,通常選擇門極15V或18V作為門限值,從而可以配置為具有較好的載流能力或者具有很好的短路耐用性。對于關斷來說,通常使用負電壓關斷最為保險,可以有效的保證可靠關斷,減少誤觸發(fā)的機率。


對門極的電容反饋有可能會導致半導體器件產(chǎn)生誤導通動作。而如果使用的是SiC器件,那么通常需要考慮米勒電容所帶來的電容反饋。由米勒效應帶來的電容反饋可能會導致管子的誤動作,更有甚者可能導致上下管直通,引起短路現(xiàn)象的發(fā)生,以至損壞功率器件,其產(chǎn)生的具體機理可參考下圖:


10.png


在半橋電路拓撲應用中,當?shù)瓦呴_關Q2導通時,高邊開關Q1的電壓變化dVDS/dt。因此,形成了對上管的寄生電容Cgd的充電電流iT。該電流通過米勒電梯Cgd,門極電阻以及電容Cgs形成回路,并對Cgd進行充電 (電容Cgd和Cgs形成一個對VDS進行分壓的電容分壓器)。當在門極電阻上的電壓降超過了上管Q1的閾值開啟電壓,這時候就發(fā)生了所謂的米勒導通或者米勒效應。在此過程中,不斷上升的漏極電位通過米勒電容Cgd上拉Q2的門極電壓。然而,門極關斷電阻試圖抵消且拉低電壓。但是如果電阻值不足以降低電壓,那么電壓可能會超過管子的閾值電壓,從而致使誤觸發(fā)的可能性,進而導致故障發(fā)生。甚至可能損壞SiC器件。


由誤觸發(fā)導致事件發(fā)生的風險和嚴重程度主要取決于特定的操作條件和測試硬件。高母線電壓,電壓快速上升以及高結(jié)溫是比較關鍵的點。這些條件不僅會嚴重地上拉門極電壓,而且會降低閾值。硬件相關的主要影響包括:MOS管內(nèi)部寄生電容Cgd,Cgs以及門極關斷電阻等。


由Cgd和Cgs電容所引起的寄生電壓會導致門極誤開通的可能性,進而增加整個開關損耗,造成器件損壞風險。參考下圖:


11.png


△Vgs=△Vds*Cgd/(Cgs+Cgd), 若△Vgs> Vgs(th),則MOS管有誤觸發(fā)的風險。所以我們在產(chǎn)品選型時,需要充分參考器件本身的特性以及相關參數(shù),盡可能選擇門限電壓高的產(chǎn)品。


2 如何減少寄生導通帶來的誤觸發(fā)


為了減少器件誤差發(fā)的概率,提升產(chǎn)品的可靠性,我們可以從器件層面和應用層面觸發(fā),考慮對應的措施和方法。


A. 從應用層面上考慮


      1. 增加負壓關斷電壓Vgs off


即使有寄生電容帶來的電壓△Vgs,當使用負壓Vgs off來驅(qū)動時,可以抵消部分△Vgs ,從而使得△Vgs小于門限電壓Vgs(th)。從而避免誤差發(fā)的可能性。


富昌設計小建議:需要綜合考慮MOS管的寄生參數(shù)以Vgs 裕量來選擇合適的電壓,以確保產(chǎn)品的可靠性。


     2. 使用帶米勒(miller)鉗位的驅(qū)動


在設計驅(qū)動時,可以考慮采用帶米勒鉗位的驅(qū)動產(chǎn)品,從而可以有效鉗制門極電壓,使門極電壓不超過開通閾值電壓,避免誤觸發(fā)的風險。


富昌設計小建議:可以根據(jù)實際應用需求,選擇帶有米勒鉗位或Desat保護的驅(qū)動芯片,從而簡化系統(tǒng)設計。


B.從器件選型上考慮


      1. 采用較高開通門限值Vgsth的器件


使用較高開通閾值門限電壓的器件,可以有效低降低誤差發(fā)的可能性。


      2. 使用合適變?nèi)荼菴gd/Cgs的器件


通常來說,在器件選型時,可以根據(jù)寄生參數(shù),選擇合適變?nèi)荼鹊腟iC產(chǎn)品,可以有效地降低誤觸發(fā)的風險。


一條粗略估算VGS 裕量的經(jīng)驗方法可供參考,對于600V的SiC產(chǎn)品,最好是選擇變?nèi)荼却笥?50。即Cgd/Cgs>150。此時可計算出△Vgs<4V。(注,由于各家工藝技術的不同,門限電壓也不盡相同,所以并不適合所有的產(chǎn)品。此處僅參考英飛凌的產(chǎn)品)


富昌設計小貼士:此處參考的是英飛凌SiC產(chǎn)品,其門限電壓通常在4.5V左右。


3 VGS 裕量與VGSTH 漂移的平衡


通過上面的計算和分析可知,雖然增加Vgs off負壓可以降低誤觸發(fā)的風險,但是也不是越大越好,因為這會帶來門限電壓的漂移,且負壓越大,由此帶來的VGSTH漂移也越大。所以在設計時需要綜合考慮二者,尋求一個合理的平衡點。以下示意圖描述了這一點。


12.png


4 總結(jié)


富昌電子在本文中,主要針對驅(qū)動設計時的寄生導通問題做了詳盡的分析和探討。并從器件選型和應用層面上分別給了幾點建議。最后就VGS裕量以及VGSTH漂移做了簡單的闡述,由于二者是對立的,實際應用中需要綜合考慮兩者之間的利弊關系,做出平衡選擇,這樣既能充分發(fā)揮SiC器件的特性,又能保證整個產(chǎn)品的可靠性。


參考文獻:


【1】 分立式CoolSiC Mosfet 的寄生導通行為    Klaus Sobe, 英飛凌科技有限公司(奧地利).


【2】 1200 V SiC MOSFET and N-off SiC JFET performances and driving in high power-high frequency power converter – Bettina Rubino, Luigi Abbatelli, Giuseppe Catalisano, Simone Buonomo, PCIM Europe 2013.


【3】 Direct Comparison among different technologies in Silicon Carbide - Bettina Rubino, Michele Macauda, Massimo Nania, Simone Buonomo.


【4】 Direct Comparison of Silicon and Silicon Carbide Power Transistors in High-Frequency Hard-Switched Applications - John S. Glaser, Jeffrey J. Nasadoski, Peter A. Losee, Avinash S. Kashyap, Kevin S. Matocha, Jerome L.


【5】 CoolSiC Mosfet 1200V TTA 2020


來源:富昌電子



免責聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:


電機制氧-如何讓電機制氧又穩(wěn)又安靜?

氖泡振蕩器

新一代1700V IGBT7技術及其在電力電子系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

AC/DC開關電源簡介

電機制氧-剖析便攜制氧機的工作原理

特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉