在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時代，開關(guān)電源的性能對于各類電子設(shè)備的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。2025 年 01 月 08 日 12:01 來自江蘇的這篇文章，由瞻芯電子創(chuàng)作。瞻芯電子一直致力于開發(fā)碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體和芯片產(chǎn)品，憑借其專業(yè)的技術(shù)和創(chuàng)新能力，為客戶提供一站式芯片解決方案，有力地推動了功率變換系統(tǒng)朝著小型化、輕量化、高效化的方向發(fā)展。

驅(qū)動電壓尖峰復(fù)現(xiàn)與分析

碳化硅（SiC）MOSFET 以其高頻、高速開關(guān)的卓越特性，在電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，能夠顯著提升系統(tǒng)效率。然而，這種特性也帶來了一些挑戰(zhàn)。在高頻、高速開關(guān)過程中，寄生電感和電容會產(chǎn)生更大的振蕩，從而導(dǎo)致驅(qū)動電壓出現(xiàn)更大的尖峰。
驅(qū)動電壓尖峰對系統(tǒng)的危害不容小覷。一旦驅(qū)動電壓尖峰超出 SiC MOSFET 的安全驅(qū)動電壓范圍，極有可能引發(fā)器件誤開關(guān)，甚至造成器件永久性損壞。同時，尖峰電壓產(chǎn)生的電磁干擾會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的 EMC 指標(biāo)，而驅(qū)動電壓尖峰帶來的高頻震蕩會使電流波形變得不穩(wěn)定，進而對系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，設(shè)計可靠的驅(qū)動電路來抑制驅(qū)動電壓尖峰，成為充分發(fā)揮 SiC MOSFET 優(yōu)勢特性的關(guān)鍵課題。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們首先需要測試復(fù)現(xiàn)驅(qū)動尖峰波形，并深入分析其產(chǎn)生的原因，然后才能采取相應(yīng)的有效措施來抑制尖峰。本篇文章將重點講解第一部分：驅(qū)動電壓尖峰復(fù)現(xiàn)與分析。

雙脈沖測試方法與設(shè)備

瞻芯電子采用經(jīng)典的雙脈沖測試方法，來復(fù)現(xiàn) SiC MOSFET 開關(guān)過程中的驅(qū)動電壓尖峰，以便準(zhǔn)確分析原因并采取針對性的對策。在雙脈沖測試電路中，Q1 和 Q2 選用瞻芯電子 1200V 80mΩ SiC MOSFET (IV1Q12080T3/T4)，其中下管 Q2 始終保持關(guān)斷狀態(tài)，上管 Q1 則進行開關(guān)動作。當(dāng)上管 Q1 開通時，電流路徑為紅色實線；當(dāng)上管 Q1 關(guān)斷時，電流路徑為紅色虛線，具體情況如圖 1 所示：


在上述測試中，通過開關(guān)上管 Q1，來測試下管 Q2 因寄生電感和米勒效應(yīng)產(chǎn)生的驅(qū)動電壓尖峰，示意圖如下：


為了消除 PCB 板的寄生參數(shù)對測試波形的影響，瞻芯電子針對 TO247 - 3 和 TO247 - 4 這兩種封裝，分別制作了兩塊雙脈沖測試板，具體如圖 3 所示：

具體的測試設(shè)備配置包括信號發(fā)生器、直流電源、負(fù)載電感、示波器以及高帶寬的非隔離探頭或光隔離探頭。其中，非隔離探頭采用最小接地環(huán)，以獲取更準(zhǔn)確的測試結(jié)果，測試設(shè)備環(huán)境如圖 4 所示：

驅(qū)動電壓尖峰復(fù)現(xiàn)

1. 用 0V 關(guān)斷電壓時的參考電路與波形
   如果不采取抑制尖峰措施，驅(qū)動電路如圖 5 所示：

當(dāng)關(guān)閉上管 Q1 的過程中，測試下管 Q2 的柵極 (Gate) 和源極 (Source) 引腳之間的電壓 (Vgs)，會出現(xiàn)較大的驅(qū)動電壓 (Vgs) 負(fù)尖峰 (-4.9V) 和正尖峰震蕩，波形如圖 6 所示：


在以上波形圖中，負(fù)壓尖峰按不同成因分為兩段：第一段是當(dāng) Vds 下降過程中 dv/dt 較大，因米勒電容放電，放電電流在 Rg 上產(chǎn)生壓降，從而使 Vgs 產(chǎn)生下拉負(fù)尖峰；第二段在 Vds 下降到 0V 后，Vgs 出現(xiàn)負(fù)尖峰和正尖峰震蕩，這是體二極管續(xù)流的 di/dt 在源極引腳的寄生電感產(chǎn)生的。
2. 用 - 3.5V 關(guān)斷電壓時的參考電路與波形
瞻芯電子的 SiC MOSFET 推薦斷負(fù)壓范圍是 - 3.5V ~ - 2V，這里選擇最低值 - 3.5V 電壓驅(qū)動，來測試串?dāng)_引發(fā)的尖峰，電路如圖 7 所示：


當(dāng)上管 Q1 關(guān)斷時，如圖 7 所示：綠色的 Vds 降低到 0V 過程中，藍色的下管 Q2 的 Vgs 因 Q2 的米勒電容 Cgd 放電，進而在驅(qū)動電阻 Rg 上產(chǎn)生壓降，即為測試波形中 - 3.5V 下方的負(fù)尖峰。在 Vds 下降到 0V 后，下管 Q2 的 Vgs 又因源極寄生電感和 di/dt，而產(chǎn)生更低的負(fù)尖峰和正尖峰震蕩。


當(dāng)上管 Q1 開通時，如圖 8 所示，在綠色 Vds 為 0V 的階段，藍色的下管 Q2 的驅(qū)動電壓 Vgs 因體二極管電流轉(zhuǎn)移和反向恢復(fù)，而在源極寄生電感上產(chǎn)生較大正尖峰 (2.58V) 和震蕩。在 Vds 上升的階段，Vgs 尖峰主要由 Cgs 與寄生電感導(dǎo)致的震蕩。

綜合上述分析，串?dāng)_尖峰主要有兩方面原因：

• 高 dv/dt 時的米勒電效應(yīng)；
• 高 di/dt 在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的震蕩。

3. 開蓋測試 SiC MOSFET 驅(qū)動電壓
   由于 SiC MOSFET 的驅(qū)動電壓尖峰的主要原因之一是驅(qū)動回路里的 MOSFET 源極電感，所以針對 TO247 - 3 封裝器件，如果要得到更真實的管芯驅(qū)動波形，可去掉器件的塑封材料，直接從芯片上測試驅(qū)動電壓，這樣可以對比呈現(xiàn)引腳上和管芯上的驅(qū)動波形差異。

其中 VG_LS 是測源極引腳與柵極引腳之間的電壓；VG_LS_K 是測管芯源極與柵極之間的電壓，測試點如圖 10 所示：


測試中，下管 Q2 保持關(guān)斷，上管 Q1 進行開關(guān)動作，過程如圖 11 所示：


在上管 Q1 初次開通時 (1 st Rising)，如圖 12 所示：雖然從引腳測試 VG_LS 有較大正尖峰及震蕩，但藍色的管芯 VG_LS_K 顯示驅(qū)動電壓波動很小，幾乎沒有明顯尖峰，比較安全。


在上管 Q1 初次關(guān)斷時 (1 st Falling)，如圖 13 所示：雖然從引腳測得綠色的 VG_LS 有較大的負(fù)尖峰及震蕩；管芯上 VG_LS_K 幾乎沒有負(fù)壓尖峰，但有正尖峰，與 VG_LS 的差異較大。


上管關(guān)斷后，電感電流通過下管的體二極管續(xù)流，在下管的源極電感上產(chǎn)生 “下正上負(fù)” 的自感電動勢。由于 VG_LS 測量的是引腳上的電壓，因此 VG_LS 會下降，產(chǎn)生負(fù)尖峰。而 VG_LS_K 測的是管芯上的電壓，自感電動勢會對 Cgs 充電，讓 VG_LS_K 抬升。所以會看到引腳與管芯上的電壓呈現(xiàn)相反的尖峰波形。


在上管 Q1 第二次開通時 (2 nd Rising)，如圖 14 所示：管芯 VG_LS_K 沒有正尖峰，但有平緩的負(fù)尖峰，這是由于下管的反向恢復(fù)電流，抬升了源極電動勢，從而讓 Vgs - k 出現(xiàn)負(fù)尖峰。


為了對比呈現(xiàn)不同長度的管腳寄生電感的影響，在第二次開通上管 Q1 時，分別從長 / 短源極管腳去測試驅(qū)動電壓 Vgs，兩組波形如圖 15/16 所示：




如圖 16 所示，當(dāng)用較長的源極引腳測試時，管芯真實驅(qū)動電壓有更大的過沖和震蕩，而且超過 SiC MOSFET 閾值電壓 (Vth)，導(dǎo)致下管 Q2 誤開通和較大 Vds 震蕩。

總結(jié)

1. 驅(qū)動串?dāng)_尖峰的主要原因有兩點：
   • 高 dv/dt 時的米勒電效應(yīng)；
   • 高 di/dt 在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的震蕩。
2. SiC MOSFET 管芯的真實驅(qū)動電壓，與 TO247 - 3 引腳測到的驅(qū)動電壓可能呈現(xiàn)相反的尖峰波形。
3. 若管腳測到超規(guī)格的驅(qū)動波形，可進一步確認(rèn)管芯的真實驅(qū)動電壓。
4. 若從長引腳測得較大 Vds 震蕩，可能器件有誤開通，甚至損壞器件。
5. 建議驅(qū)動路徑盡量靠近器件引腳根部，規(guī)避長引腳的寄生電感。