門極驅動正壓對功率半導體性能的影響

/ 引言 /

對于半導體功率器件來說，門極電壓的取值對器件特性影響很大。以前曾經(jīng)聊過門極負壓對器件開關特性的影響，而今天我們來一起看看門極正電壓對器件的影響。文章將會從導通損耗，開關損耗和短路性能來分別討論。

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對導通損耗的影響

無論是MOSFET還是IGBT，都是受門極控制的器件。在相同電流的條件下，一般門極電壓用得越高，導通損耗越小。因為門極電壓越高意味著溝道反型層強度越強，由門極電壓而產生的溝道阻抗越小，流過相同電流的壓降就越低。不過器件導通損耗除了受這個門極溝道影響外，還和芯片的厚度有很大的關系，一般越薄的導通損耗越小，所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會越厚，導通損耗就會變大。這種由芯片厚度引起的導通損耗不受門極電壓影響，所以器件耐壓越高，門極電壓即使進一步增大對導通損耗貢獻是有限的。

我們從器件的規(guī)格書中很容易得到這個結論，如圖1的a、b分別是一個IGBT器件IKW40N120CS7的輸出特性曲線。在相同的IC電流下，門極電壓越高，對應的輸出線越陡，VCE飽和壓降越小。但是門極電壓大于15V后，即使門極電壓再升高，VCE飽和壓降變小得不多了。所以IGBT選用15V驅動是一個不錯的選擇。

圖1a 25℃下IGBT典型

輸出特性曲線

圖1b 175℃下IGBT典型

輸出特性曲線

SiC MOSFET的導通損耗表現(xiàn)相類似，如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。相比于圖1的橫坐標，圖2的電壓跨度更大，也就是說SiC MOSFET適合門極電壓更高（比如18V），導通損耗更小，獲益更大。但是考慮門極氧化層的可靠性，使用電壓一般不會超過20V，英飛凌1200V的SiC MOSFET建議使用電壓為18V。

圖2a 25℃下SiC典型

輸出特性曲線

圖2b 175℃下SiC典型

輸出特性曲線

綜合以上兩者特性來說，1200V的IGBT一般在15V以后，變化不明顯，而1200V的SiC MOSFET則變化大，如圖3。這主要是因為對于1200V等級的SiC MOSFET來說，溝道電阻所占比重較大，而減小溝道電阻的有效手段就是提高門極電壓。

圖3 1200V的IGBT和SiC MOSFET導通壓降比較

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對開關損耗的影響

另外，門極的正壓對降低開關損耗也是有幫助的。因為開通的過程相當于一個對門極電容充電的過程，初始電壓越大，充電越快，一般來說開通損耗越小。而關斷損耗則受門極負壓影響，幾乎不受門極正電壓影響。我們利用了雙脈沖平臺進行開關波形的測試。圖4是SiC MOSFET的開關損耗在不同門極電壓和不同IC電流下的表現(xiàn)。圖5是IGBT的開通損耗。而由于SiC MOSFET的開關損耗絕對值比IGBT要小得多，所以從開關損耗降低的比例來看，SiC MOSFET效果更明顯。

圖4 SiC MOSFET的開關損耗

圖5 IGBT的開關損耗

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對短路時間的影響

凡事有得有失，雖然門極電壓高對導通損耗和開通損耗都好，但是會犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式，IGBT短路行為與MOSFET類似。式中μn為電子的遷移速率，Cox為單位面積柵氧化層電容，W/L為氧化層寬長比，Vgs為驅動正電壓，Vth為門極閾值電壓。從式中可以看出，門極正電壓越大，電流會明顯上升。

比如IGBT在門極電壓15V下有10μs的短路能力，但在門極16V時，短路能力會下降到7μs不到，如圖6。對SiC MOSFET而言，相同電流的芯片面積小得多，且可能工作在更高的母線電壓導致短路瞬態(tài)能量更大，如果門極電壓超過15V，甚至會失去短路耐受能力。

圖6 IGBT短路能力和門極電壓的關系

結論

無論對IGBT還是SiC MOSFET來說，使用的門極正電壓越高，導通損耗和開通損耗都會降低，對整體開關效率有利。但是會影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時不需要短路能力的話，建議適當提高門極的正電壓。