SiC MOSFET的驱动电压及相关影响详述

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。

一.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mosfet的VGS电压，VGSoff，稳态时用于关断mosfet的VGS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VGSon和VGSoff值。

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

图1 SiC mosfet的门源电压推荐值

以Microchip的SiC mosfet为例，最优的推荐的门级驱动电压，VGSon是 20V,VGSoff是-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。

二.SiC mosfet的Rdson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Die的SiC mosfet产品，700V/15mohm，1200V/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 mosfet的Rdson增加的比Si mosfet少，

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

C，在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，在15V的驱动电压下，Rdson增加的较多，尤其是低的结温下，

图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Microchip的SiC 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1200V的SiC mosfet上，在175C结温时，18V的驱动仅仅比20V的驱动电压时高出4%的Rdson，这是可以接受的变化。

进一步的变化VGSon为15V,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。

三.SiC mosfet最大电流能力受驱动电压的影响

图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1200V的SiC mosfet，在Tj为150C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VDS在350V,470V,560V的时候，及VGS在20V,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。

图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

图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20ns的25V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：

Microchip的SiC 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100-150C间Rdson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。

六.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，Microchip的SiC 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 的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

和Si的IGBT不同，SiC mosfet在两个方向上都可以导通，下图6显示的是Microchip的SiC 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为-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VGS为0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。

图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Microchip的SiC 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%。

在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SiGe，CdS,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Microchip的SiC mosfet的体二极管。

九．负压驱动和开关噪声敏感度

当使用VGSoff为0V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Microchip的SiC mosfet，1200V,80mohm的TO247封装的器件。

图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,Tj为25C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 mosfet，microchip可以保证在VGSoff为0V时，Tj为175C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,在Vp上的裕量会阻止误开通。

图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VGSoff为0，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Vgsoff为0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Microchip的SiC 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为 20V,和VGSoff -5V.

2.允许基于上述推荐基础上，改变驱动电压，Microchip的SiC 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