如何選取SiC MOSFET的Vgs門(mén)極電壓及其影響

作者： 張浩，文章來(lái)源： 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體微信公眾號(hào)

在IGBT時(shí)代，門(mén)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(mén)極電壓規(guī)范。本文就SiC MOSFET的門(mén)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(shū)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。

圖1.IMBG120R030M1H規(guī)格書(shū)Vgs說(shuō)明

備注1：今年(2022)新出的M1H單管系列，其門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(jiàn)日。

1. 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(kāi)通電壓。

1.1 Vgs正壓越高，其Rdson越小

工業(yè)1200V/M1H規(guī)格書(shū)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(shuō)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(kāi)關(guān)頻率高或者只有Eon或Eoff的軟開(kāi)關(guān)場(chǎng)合，猶需關(guān)注。

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

圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V)，對(duì)SiC開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗(Eon)。當(dāng)然15V驅(qū)動(dòng)也有好處，受益于開(kāi)通速度的降低，開(kāi)通的overshoot有所改善，對(duì)于Vgs寄生導(dǎo)通會(huì)有一定幫助。

2. 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：

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

圖5.不同Vgs負(fù)壓(Vgs=0V和-3V)，對(duì)SiC開(kāi)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(kāi)通時(shí)刻的寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)也是立竿見(jiàn)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(wèn)題，其實(shí)沒(méi)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(mén)極可靠性的影響。

3. SiC MOSFET的Vgs電壓對(duì)短路特性的影響

承接上文的問(wèn)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(lèi)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(lèi)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(méi)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)。

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(jiàn)下面的圖7所述：

圖7.SiC與IGBT的短路能量密度對(duì)比

4. SiC MOSFET的Vgs電壓對(duì)門(mén)極可靠性的影響

繼續(xù)承接上文的問(wèn)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(mén)極可靠性的問(wèn)題。關(guān)于這個(gè)熱門(mén)問(wèn)題，英飛凌之前專(zhuān)門(mén)推出過(guò)一份內(nèi)容詳實(shí)堪稱業(yè)界典范的白皮書(shū)，并且在不同場(chǎng)合和平臺(tái)都給大家做過(guò)深入的剖析和講解。核心內(nèi)容，如圖8所示：

圖8.SiC門(mén)極氧化層可靠性挑戰(zhàn)與英飛凌SiC可靠性白皮書(shū)簡(jiǎn)介

我們繼續(xù)聊Vgs負(fù)壓選取的問(wèn)題，在常見(jiàn)的半橋拓?fù)渲?，大多存在由米?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容和源極電感產(chǎn)生的Vgs尖峰，分別為開(kāi)通時(shí)刻的overshoot和關(guān)斷時(shí)刻的undershoot。

圖9.SiC MOSFET門(mén)極Vgs的overshoot和undershoot示意圖

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

5. 總 結(jié)

綜上所述，選取合適的Vgs電壓，除了參考規(guī)格書(shū)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。

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(yú)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。

審核編輯 黃宇