SiC Crosstalk小敘

靜待時光清淺，歲月流轉(zhuǎn)，把酒言歡，夢里，青春與你我不似初見！時間來到了八月末，我們又可以借機相遇，噓寒問暖的同時聊聊功率半導(dǎo)體的一些變化（PCIM展期待人群中能夠駐足聊聊）。

隨著寬禁帶半導(dǎo)體這幾年的發(fā)展，在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域可以看到他們的身影，混跡風(fēng)光儲的我最近也開始遇到過一些case，一些認知可以用從小熟知的一句話來概括，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行！”今天想跟大家聊一聊關(guān)于碳化硅雙脈沖測試中遇到的串擾問題。

碳化硅具有更快的切換速度（更短的切換時間），較低的損耗，更高的開關(guān)頻率，更高的耐壓能力以及更好的溫度特性，相應(yīng)地帶來效率的替身，系統(tǒng)磁性元器件減小，功率密度的提升等優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)硅基，碳化硅給我們的最直觀印象可以認為是它的快，而更高速的情況下，寄生參數(shù)帶來的影響相比于硅似乎更加嚴重，這也是為什么串擾（也被叫做Crosstalk）在碳化硅應(yīng)用中經(jīng)常被提到的原因。

在傳統(tǒng)硅基的IGBT應(yīng)用中我們經(jīng)常會討論到米勒效應(yīng)導(dǎo)致的誤導(dǎo)通的問題，但很少會提及負向的米勒效應(yīng)（當然串擾不僅僅包含米勒效應(yīng)導(dǎo)致的壓降），因為就硅基而言，規(guī)格書中給到的門極電壓額定值一般都是±20V，負壓串擾對于門極的可靠性不會形成太大的挑戰(zhàn)。而碳化硅，門極的額定電壓并不像硅基那樣“充裕”，下面是一些常見碳化硅芯片供應(yīng)商門極電壓的匯總，

我們可以看到，碳化硅的額定負壓并不像硅基那樣充足，負壓串擾如果超過額定值，對于門極可靠性形成巨大的挑戰(zhàn)，但由于正向串擾誤導(dǎo)通的預(yù)防又要求我們最好選取負壓關(guān)斷電壓，所以如何選取負門極驅(qū)動電壓其實又需要我們的權(quán)衡。

SiC串擾

上面我們提到，串擾問題在硅和碳化硅的應(yīng)用中都會存在，但由于碳化硅的高速快關(guān)（高dv/dt和高di/dt），導(dǎo)致串擾問題更加的尖銳。

串擾主要是在主動開關(guān)接通和關(guān)閉過渡期間，對關(guān)閉狀態(tài)的門極電壓引起的干擾。如果正向串擾電壓超過閾值電壓Vth,將導(dǎo)致部分開通；如果負串擾電壓超過門極負額定電壓，將造成門極過應(yīng)力。下面我們基于半橋拓撲簡單闡述下這個過程：

下圖為Q1開通和關(guān)斷一個周期內(nèi)的電壓電流波形示意圖，

01、正向串擾

[t0~t1]

Q1開始開通，但門極電壓未達到閾值電壓，溝道還是處于關(guān)閉狀態(tài)

[t1~t2]

當Q1的門極電壓達到閾值電壓之后，溝道開啟，電流IL開始從D2換向Q1，這個過程在D2開始承受耐壓為止。此時Q2門極回路的等效電路為

可見，V1決定了這個階段Q2門極電壓的變化趨勢。

[t2~t3]

這個階段D2承受反向電壓，Q2電壓開始上升，此時米勒效應(yīng)產(chǎn)生的位移電流會在Q2門極產(chǎn)生壓降，此階段以Q1漏源極電壓減小到導(dǎo)通壓降為止。此時Q2門極回路的等效電路為

可見，V1決定了這個階段Q2門極電壓的變化趨勢。

這個正向串擾電壓有可能會超過Q2的閾值電壓，導(dǎo)致其部分開通，從而導(dǎo)致上下直通的可能性。

[t3~t4]

這個階段，Q1門極電壓上升達到驅(qū)動電壓，Q1完全開通。

02、負向串擾

[t5~t6]

Q1開始關(guān)斷，但電壓還未降低到米勒電壓。

[t6~t7]

Q1的門極電壓達到米勒電壓，Q1的漏源極電壓開始上升，Q2的漏源極電壓開始下降，當Q2的漏源極電壓跌到D2的導(dǎo)通電壓時為止。此時Q2門極回路的等效電路為

在Q2門極產(chǎn)生的串擾電壓和[t2~t3]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。這個負向電壓可能超過額定門極負壓，對門極可靠性造成影響。

[t7~t8]

這個階段，電流開始從Q2換向D2，直到Q1溝道關(guān)斷，等效電路為

在Q2門極產(chǎn)生的串擾電壓和[t1~t2]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。

[t8~t9]

這個階段，Q1門極電壓下降到閾值電壓以下，直到Q1完全關(guān)斷。

以上大致闡述了串擾的產(chǎn)生機理，其中涉及到回路寄生參數(shù)以及電流電壓變化率，所以相應(yīng)的抑制措施一般都圍繞這些展開。

參考文獻，Wei Liang, "A New Gate Driver for Suppressing Crosstalk of SiC MOSFET"

SiC串擾的抑制

上述我們直到串擾問題的幾個因素，速度（di/dt、dv/dt）和寄生參數(shù)（電阻、電容、電感），抑制的主要手段就是從這些出發(fā)。

降低開關(guān)速度是最為直觀最簡單的手段，但這又限制了碳化硅適用于高頻的優(yōu)勢，所以效率和功率密度上要在原先的基礎(chǔ)上打些折扣；

選擇合適的負驅(qū)動電壓，在這個電壓下，讓正向串擾不高于閾值電壓，讓負向串擾不超過額定負壓?？上攵@么一個折中的負電壓值是不太容易選擇的。除非基于現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，多次實驗可能會得到這么一個合適的負驅(qū)動電壓；

還有就是在門極回路中添加輔助電路，給串擾提供一個低阻抗的路徑，有通過MOSFET，BJT等進行控制的，但這無疑給驅(qū)動設(shè)計帶來了更高的要求和成本；

還有從寄生參數(shù)的角度出發(fā)，盡可能在設(shè)計時將寄生參數(shù)做到盡可能小。

另外，基本上所有的主流碳化硅廠家都會針對自己的碳化硅推薦合適的驅(qū)動電壓以及相應(yīng)的參考設(shè)計，比如ROHM的Application Note 《柵極-源極電壓的浪涌抑制方法》。

https://pan.baidu.com/s/10WxEXYsHGG6841SeKybV_Q?pwd=3689

提取碼：3689

小結(jié)

習(xí)慣于應(yīng)用硅基IGBT的基礎(chǔ)上，慢慢轉(zhuǎn)向碳化硅的應(yīng)用時，很多的考量都會更多的基于IGBT，所以我接觸到的很多應(yīng)用都會選擇最簡單的串擾抑制方法，比如通過二極管將負向串擾鉗位到負驅(qū)動電壓電源。但這個需要注意的是，盡量將負壓電源靠近門極，可以通過電容在門極附近預(yù)留負壓電壓，盡可能減小這個回路，這樣鉗位效果會適當?shù)睾煤芏??；蛘咴谛噬仙宰髯尣剑_到能夠接受的抑制范圍。

另外在測試中，測量門極電壓時，盡可能減小測量回路，有條件多試試使用光隔離探頭，很多情況下我們看到的測試波形跟碳化硅門極的實際波形相差很遠，這導(dǎo)致了我們無法很好地判斷設(shè)計的準確性，花費很多不必要的精力。

總之，碳化硅的應(yīng)用，其實還是處在初期，更好的性能其實需要更好的外圍配套才能凸顯，所以既然選擇了碳化硅，沒必要在門極驅(qū)動設(shè)計上猶豫太多。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！