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SiC MOSFET的驱动电压及相关影响详述

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SiC mosfet的应用目前来看非常广泛,包括充电桩,车载及便携式OBC,光伏及储能系统等,在SiC电源系统的设计中,驱动电压VGS的选择非常重要,它决定了是否可以充分发挥SiC mosfet的性能优势,本文就这一话题做一个详细探讨,对SiC mosfet的驱动电压做一个推荐的同时,也回答一些关于驱动电压变化导致的器件性能变化的影响的问题。


.基本概念定义及驱动电压影响因素

不同厂家对SiC mosfet的门级驱动电压的规格定义都不尽相同,但是大多数都会包含以下参数。


VGS,加在mosfet的门级和源极之间的电压,VGSon,稳态时用于开通mosfetVGS电压,VGSoff,稳态时用于关断mosfetVGS电压,VGSmax,厂家允许的最大加在门源极之间的稳态驱动电压,包含正的值和负的值,VGS-OP,厂家推荐的稳态运行的VGSonVGSoff值。


有些规格书不像Si mosfet一样指定应用的VGSonVGSoff,意味着不同的应用可以选择不同的驱动电压值。

1 SiC mosfet的门源电压推荐值


MicrochipSiC mosfet为例,最优的推荐的门级驱动电压,VGSon 20V,VGSoff-5V,但是做一定驱动电压的减小,也是可以允许的,且器件可以很好的工作,但是系统设计者需要辩证的考虑驱动电压降低带来的影响,如损耗及其它方面。


首先,我们概括性的说一下降低驱动电压变化带来的影响的方面,

A,最直接的影响是,增加了导通电阻Rdson,这会导致导通损耗的增加,

B,减小了峰值电流的通流能力,即饱和电流的能力,

C,延长了器件短路耐受时间,

D,扩展了门级氧化物的寿命,

E,相同的门级电阻条件下,增加了开关损耗,


接下来,我们会详细讨论这些方面的影响。


.SiC mosfetRdson受温度及驱动电压影响

以下图2所示的四个曲线,是基于20V驱动电压,25C下归一化Rdson,随着结温Tj的增加,我们看看器件的Rdson如何变化,这里四个曲线代表Micochip不同电压等级的最大的器件DieSiC mosfet产品,700V/15mohm1200V/17mohm,1700V/35mohm,3300V/25mohm等产品。


通过这些曲线,我们可以得到如下的一般结论,

A,随着温度的增加,SiC mosfetRdson增加的比Si mosfet少,

B,MicrochipSiC mosfet在抬高结温下,比竞争对手产品增加的Rdson少,

C,18V驱动电压下,Rdson增加的非常少,尤其在高结温下甚至于会降低Rdson,

D,15V的驱动电压下,Rdson增加的较多,尤其是低的结温下,

2 在不同的驱动电压下Rdson受温度的影响


这里我们也讨论一下驱动电压 20V的由来,为什么会选择 20V作为优化的驱动电压呢?


首先SiC 是一种宽禁带器件,因此相比Si mosfet,需要较高的电场去驱动SiC mosfet器件,那么通过增加VGS电压,是一种简易的方式,但是需要特殊设计原有的Si mosfet的驱动芯片,同时,减小门级氧化物的厚度,也是改善驱动难度的一种方式,但是这会导致比较容易产生失效。当然,增加die的面积,是一种增加驱动电流的方式,但是会增加成本,因此,最终的各方折衷是采取 20V的驱动电压VGS.


接着,我们讨论一下降低驱动电压对Rdson的影响,当降低驱动电压后,设计者需要考虑在自己关心的结温Tj范围内,Rdson的变化是否可以被应用接受。


这里,我们提供一些MicrochipSiC mosfet生产测试数据,实验证明,18V的驱动电压,可以得到和20V驱动电压较一致的Rdson数据,例如,在1200VSiC mosfet上,在175C结温时,18V的驱动仅仅比20V的驱动电压时高出4%Rdson,这是可以接受的变化。


进一步的变化VGSon15V,则它的Rdson的变化会比20V驱动时高达4倍,并且这个值和VGSth有关,因此,我们不推荐采用15V驱动电压,如果一定要选择15V驱动电压,那么需要对Rdson进行更大设计裕量的选择。


对于器件并联这个话题来说,我们从图上可以看到,当SiC mosfet的驱动电压小于20V时,在一定的结温范围内,其Rdson温度系数变为负温度系数。这里举一个例子,700V耐压的SiC mosfet,在15V驱动电压下驱动,在高达80-100C范围内,其表现为负温度系数的Rdson,设计者为了确保并联mosfet的均流特性,所以,采用18V的驱动是最可行的方式。


.SiC mosfet最大电流能力受驱动电压的影响

3 不同驱动电压下的电流能力


从图上看,当采用不同的驱动电压时,当驱动电压较低时,从I/V曲线上看,沟道不能完全打开,因此其电流能力受到限制。


这里图中表示的是MSC360SMA120B这个1200VSiC mosfet,在Tj150C时的驱动电压影响,可看出18V驱动和20V驱动之间的I/V曲线差异非常小,而16V驱动和20V驱动之间的差异就比较明显了。


在低电压驱动时,由于电流能力的减弱,设计者需要对过流保护点进行重新考虑。器件的小信号跨导,gm,在较低的VGSon时,会变得较大,这个影响可能导致开关的不稳定性,因为VGS在较高的VDS电压下处在一个中间范围,这会导致短路事件(考虑到峰值电流决定于VGSon的精确的值和持续时间)。


四.SiC mosfet驱动电压对短路耐受时间的影响

根据前述部分所示,降低VGSon时,最大电流能力将受到限制,短路时的最大电流能力也将受到限制,这将导致器件较长的短路电流耐受时间。


接下来这个例子,我们以MSC035SMA070B为例,测试VDS350V,470V,560V的时候,及VGS20V,18V,15V的情况,可以看出对短路电流耐受时间SCWT影响最大的是漏极电压,其次是门级驱动电压。

4 MSC035SMA070B的短路耐受时间测试


从图4上看,漏极电压越大,则短路电流耐受时间越小,这是合理的趋势。同时,门级电压越大,沟道开通越充分,则短路电流耐受时间越小。


当在系统应用中,发生短路情况时,我们需要一些考虑。在规格书显示的短路耐受时间,是一个器件发生失效的典型时间,之后器件将失去正常的功能。在现实应用中,一般失效发生于器件关断后,余下的热量会导致相关的损坏。


现实中更合理的需求可能是,在一定次数的短路时间之后,一定个数的器件依然在工作。通过增加器件的size,或者采用多器件设计,可以实现在减小的电流水平下,扩展器件的短路耐受时间。


五.SiC mosfet的驱动电压和设计寿命的关系

5 器件设计寿命和门级驱动电压的关系


从上图可以看出,随着门级电压横坐标和三条曲线上的温度的增加,门级电压越高,温度越高,则设计寿命越小。从图上也可以看出,当门级电压每增加2.5V时,则设计寿命(纵坐标对数坐标)将减小一个数量级。上述结论在很宽的工作范围内都是成立的,这是一个磨损机制,在时间的积累上去累积失效。


根据相关研究,门级氧化物的寿命,主要取决于稳态的门级驱动电压,对于稳态的门级驱动电压,基于器件的设计寿命,推荐最大23V的最大门级额定电压。


一般来说,VGS的瞬态过冲不会影响器件寿命,源于它们短暂的周期。这里给大家举一个例子,假定一个方形的20ns25V过冲,施加在一个正常驱动电压为20V的器件上,从氧化物寿命图来看,在那个脉冲期间,氧化物的衰减率是80倍,然而,实际的开关频率是100kHz,因此占空比因子是0.002,相应的应力是仅仅0.002*80=16%


实际上,瞬态的VGS在封装的pin上很难观察到,门级和源极上的引线电感导致测量实际的门极电压过冲很困难,由于门级大电容的存在,门级驱动信号正常时总是过阻尼的,过冲电压常常不是一个问题,这是非常容易在仿真中观察到的。


总的说来,门级驱动电压对SiC mosfet的性能影响主要如下


MicrochipSiC mosfet可以在18V的驱动电压下运行,相比于最优化的20V驱动电压来说,仅仅有非常小的性能损失。从上面的图3可以看出,在常温25C下,Rdson增加的较多,而在高结温100-150CRdson变化很小。


通常如果die是热的话,不会由于常温下Rdson增加导致的导通损耗而受损失。


由于驱动电压的降低,采用相同的门级串联电阻的话,开关损耗会进一步增加,而采用较低的驱动电压时,器件的饱和电流会降低,所以导致的积极的方面是器件短路耐受时间会增加。


更重要的是,采用18V以下的驱动电压时,Rdson会有较大变化,因此会带来一定的风险,因此不推荐,如果要用这样的驱动电压,那么需要为Rdson做很大裕量的设计。此时,在器件并联时,尤其是低结温下,器件的均流将是一个不得不面对的问题。


.SiC mosfet关断驱动电压VGSoff的设计

对于SiC mosfet的关断电压这一话题,首先,MicrochipSiC mosfet是常闭状态的晶体管,在稳态时,为了保持开关关断,本身是不需要负压的。负压驱动的使用,主要是为了在瞬态时降低开关损耗,加强开关的稳定性。


具体来说,源极的寄生电感会延缓关断的过程,负的驱动电压是为了避免这一影响,同时,负的驱动电压可以提供更多的关断信号裕量,避免由于开关瞬态导致的误开通。事实上,负压关断在Si IGBT产品上已经用了十多年,它并非专属于SiC mosfet产品。


在更为复杂的SiC 模块上,分布式的晶体管结构,将需要更高的VGSoff电压,以避免开关的不稳定性,相对而言,单个分立器件的设计,仅仅需要一个小的负压关断信号。


七.SiC mosfet的三象限导通性能

SiIGBT不同,SiC mosfet在两个方向上都可以导通,下图6显示的是MicrochipSiC mosfet MSC360SMA120B的三象限导通性能。所谓三象限导通,简单来说就是当drain电压反向时,drain电流也反向,如果mosfet的通道是关断时,其体二极管就承载全部的drain电流,则VGS-5V时,所有电流流过体二极管。当VGS在增加时,mosfet的导通沟道开始形成,但是保持一个较大的压降,即使VGS0时,体二极管也承载大部分的drain电流,接着是开关瞬态,导通沟道得以打开,开始传导反向电流,进一步改善导通损耗,这就是同步整流的概念。

6  MSC360SMA120B的三象限I/V特性


八.SiC mosfet的可靠稳定的体二极管

首先,我们可以说的是,使用MicrochipSiC mosfet的体二极管是没什么限制的,但是对于所有的供应商并非都如此。


近年来的一些第三方测试显示,竞争对手的SiC mosfet的体二极管在一定时间老化后有不同程度的降级,有些情况下,在168小时的老化后,导通损耗增加20%


10小时的老化时间后,有些厂家的体二极管损耗会加倍,实际上,这个降级机制,就是重组增强移位,这种现象在其它半导体产品上也可以被理解和观察到,如SiGeCdS,GaAs等,在SiC的产品上,这种机制也是存在的。


总的来说,用户可以放心使用MicrochipSiC mosfet的体二极管。


九.负压驱动和开关噪声敏感度

当使用VGSoff0V时作为SiC mosfet的关断驱动电压,在高速硬开关应用中,需要特别注意。在讨论一些注意事项前,需要对门限电压,夹断电压概念需要确认,如下图7的表格2来自于MicrochipSiC mosfet1200V,80mohmTO247封装的器件。

7 MSC080SMA120B的门源极导通门限电压


由于行业惯例,典型的门限电压是在VGS=VDS,Tj25C时,drain电流为1mA时测试。在Vth下,drain电流比较小,因此我们用更多的相关的参数去表示,如夹断电压Vp。具体而言,Vp电压是指,在一定的VDS电压下,产生一定的drain电流时VGS电压。


一般的,Vp电压依赖于VDS电压,不同厂家的mosfet会不一样,相比于平面型的mosfet,沟槽结构的mosfet会具有较高的Vp,由于这个原因,为了保证安全运行,沟槽型的mosfet的常温Vth值会比需要的高一些。这意味着平面的mosfet可以提供Vp更多的设计裕量,这会带给我们开关噪声敏感度的关键信息。


开关噪声敏感度的真正裕量,需要在最高可能的VDS电压下,及最高结温下175C下得到。对于Microchip当前一代的SiC mosfetmicrochip可以保证在VGSoff0V时,Tj175C时可靠关断SiC mosfet。使用一个负的VGSoff可以提供Vp的更多裕量,这可以加强开关的稳定性,是避免误开通的最正确的方式。


在半桥电路的配置中,误开通来自于米勒电容CGD, 如图8所示.当上管开通时,中点电压的dv/dt会导致CGD流过大电流,这就会在门级关断电阻ROFF上产生一个大的电压差, 这个电压差将会导致下管的实际的门极电压VGS高于稳态的关断电压VEE,这个电压足够高的话会开通下管Q1,Vp上的裕量会阻止误开通。

8 半桥电路开关误导通


鉴于以上的讨论Microchip一般不推荐使用VGSoff0,对于单端的拓扑,如反激,正激,boost等,没有直通的风险,所以可以考虑使用VGSoff=0,当Vgsoff0绝对需要时,需要对门源回路进行合理设计,需要引起注意;

具体的,设计者需要尽可能地减小三件事情:


1减小寄生CGD电容,

2减小门源级环路电感,

3减小门源回路和主电流的共同回路的共享的电感。


总结:本文主要提供了一个指导,对于MicrochipSiC mosfet的门源电压指标,以及设计考虑,以便满足大多数有效的门级驱动电路要求。


1.为了最好的导通及开关性能,Microchip推荐驱动电压VGSon 20V,VGSoff -5V.


2.允许基于上述推荐基础上,改变驱动电压,MicrochipSiC mosfet可以运行在18V的电压,造成微小的电流能力衰减,及导通效率的衰减,但是可以带来短路耐受时间较长的好处。


3.驱动Microchip当前一代的SiCmosfet使用VGSon=15V是不推荐的做法。


4.Microchip确保在VGSoff=0时,175C结温时可以关断mosfet,使用负压关断可以提供更大的Vp裕量,这可以加强开关稳定性,它是最确定的避免误开通的方式。


参考文献:AN4616 Driving Microchip SiC MOSFETs


来源:电源漫谈
电源电路半导体芯片电场储能
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-09-19
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