以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用越來越廣泛，成為高壓、大功率應(yīng)用（如電動(dòng)汽車、可再生能源并網(wǎng)、工業(yè)驅(qū)動(dòng)等）的核心器件。碳化硅MOSFET憑借低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)頻率和優(yōu)異的耐高溫性能，能夠顯著減小系統(tǒng)尺寸、重量并提升整體效率。

然而，碳化硅MOSFET高頻開關(guān)的特性是一把雙刃劍。極高的電壓變化率（dv/dt，能夠比較輕易的超過10kV/μs，甚至可達(dá)50kV/μs）和電流變化率（di/dt）會(huì)與電路中的寄生電容和寄生電感相互作用，引發(fā)一系列問題，如電壓過沖、振蕩、電磁干擾（EMI）以及串?dāng)_（CROSSTALK）。



什么是串?dāng)_？

串?dāng)_，特指在半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)MOSFET的開關(guān)動(dòng)作通過寄生路徑耦合，導(dǎo)致另一個(gè)本應(yīng)保持關(guān)斷狀態(tài)的MOSFET柵極上產(chǎn)生非預(yù)期的電壓波動(dòng)。這種波動(dòng)若足夠大，可能導(dǎo)致柵極電壓超過器件的閾值電壓Vth，引發(fā)誤開通或寄生導(dǎo)通，造成上下橋臂瞬間直通（那就直接短路啦！），這不僅會(huì)帶來巨大的額外開關(guān)損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致炸管和系統(tǒng)失效。


-上圖為開通過程中的串?dāng)_現(xiàn)象，可以看到互補(bǔ)管的門極隨著dv/dt的快速增大，互補(bǔ)管的門極迅速抬升，Vgs尖峰達(dá)到了-1.0V。（出自-張宇，李先允，王書征等；SiC MOSFET柵源回路參數(shù)的串聯(lián)擾動(dòng)研究[J]；電氣傳動(dòng)，2021，51(16)：33-38.）



串?dāng)_的物理機(jī)制

串?dāng)_現(xiàn)象的核心物理機(jī)制源于MOSFET的結(jié)電容，特別是柵-漏極之間的米勒電容（Cgd，或Crss）。根據(jù)電容的電荷存儲(chǔ)特性 i = C * dv/dt，當(dāng)MOSFET漏-源極之間電壓（Vds）發(fā)生急劇變化（即高dv/dt）時(shí)，即使是很小的Cgd也能產(chǎn)生顯著的位移電流（米勒電流），這個(gè)現(xiàn)象我們叫米勒效應(yīng)。其實(shí)不管是IGBT、硅基MOSFET和碳化硅MOSFET都有米勒效應(yīng)，但是由于碳化硅MOSFET的Vth普遍較低，這是其易受串?dāng)_影響的主要內(nèi)因。


開通串?dāng)_

我們先來聊開通串?dāng)_，其為實(shí)踐中最為危險(xiǎn)的一種串?dāng)_形式。

以高邊管開通，低邊管受擾為例，首先，當(dāng)高邊管柵極接收到開通信號(hào)，其Vgs上升并導(dǎo)通。此時(shí)，橋臂中點(diǎn)的電壓會(huì)從接近地電位迅速上升至直流母線電壓。由于低邊管的源極接地，其中點(diǎn)電壓的快速上升等效于低邊管的Vds以極高的dv/dt速率上升。這個(gè)高dv/dt作用在低邊管的米勒電容Cgd上，產(chǎn)生一個(gè)從漏極流向柵極的米勒電流（Igd） i_miller = Cgd * dv/dt，該米勒電流需要通過低邊管的柵極驅(qū)動(dòng)回路流回其源極。這個(gè)回路包含外部柵極電阻（Rg_ext）、驅(qū)動(dòng)芯片的輸出阻抗（R_driver）以及內(nèi)部柵極電阻（Rg_int）。電流流經(jīng)這些阻抗，會(huì)在低邊管的柵-源極（Vgs）上產(chǎn)生一個(gè)正向的電壓抬升：

Vgs_crosstalk = i_miller * (Rg_ext + R_driver + Rg_int) 。


如果這個(gè)感應(yīng)出的Vgs_crosstalk峰值超過了低邊管的閾值電壓Vth，低邊管就會(huì)被意外地部分或完全導(dǎo)通。


關(guān)斷串?dāng)_

我們再來聊關(guān)斷串?dāng)_，關(guān)斷串?dāng)_的機(jī)制相對復(fù)雜，通常涉及兩種耦合路徑。

dv/dt引起的電容耦合：與開通串?dāng)_類似，當(dāng)高邊管關(guān)斷時(shí)，低邊的Vds上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的高dv/dt。這個(gè)負(fù)向的dv/dt通過Cgd會(huì)試圖將低邊管的柵極電壓拉低。在半橋結(jié)構(gòu)中，更典型的關(guān)斷串?dāng)_是指主動(dòng)器件關(guān)斷時(shí)，對另一個(gè)處于關(guān)斷狀態(tài)的器件柵極產(chǎn)生的影響。低邊管關(guān)斷時(shí)，高邊管（已關(guān)斷）的Vds會(huì)從Vbus變?yōu)?，這個(gè)負(fù)的dv/dt會(huì)通過高邊管的Cgd，在其柵極感應(yīng)出負(fù)電壓尖峰。

di/dt引起的電感耦合：這是關(guān)斷串?dāng)_中一個(gè)與共源極電感密切相關(guān)的機(jī)制，且有無開爾文引腳會(huì)影響電感的分析。對于受擾的關(guān)斷器件，主動(dòng)器件電流的快速變化會(huì)通過寄生電感互感，在其柵極回路上感應(yīng)出電壓噪聲。


影響串?dāng)_的因素

串?dāng)_的發(fā)生有很多原因，其嚴(yán)重程度是多種因素綜合作用的結(jié)果。文章篇幅有限，不便過多擴(kuò)展，只講幾個(gè)比較關(guān)鍵的點(diǎn)：

首先是器件內(nèi)部的參數(shù)，Ciss/Crss輸入電容與米勒電容的比值、閾值電壓（Vth）的高低、溫度特性。重點(diǎn)提一下溫度特性，碳化硅MOSFET的Vth具有顯著的負(fù)溫度系數(shù)，即隨著結(jié)溫升高，Vth會(huì)降低。這意味著在高溫工作條件下，器件的抗串?dāng)_能力會(huì)進(jìn)一步下降，誤開通的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加劇。因此，在設(shè)計(jì)抑制策略時(shí)必須考慮最壞情況，即最高工作溫度。

其次是驅(qū)動(dòng)電路的寄生參數(shù)：驅(qū)動(dòng)電阻（Rg）、驅(qū)動(dòng)電壓、回路電感、共源極電感、功率回路電感。



串?dāng)_的應(yīng)對措施

使用主動(dòng)米勒鉗位

主動(dòng)米勒鉗位通常被集成在專用的碳化硅MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)芯片中。其工作原理流程是這樣的：

驅(qū)動(dòng)器接收到關(guān)斷指令，主輸出級將MOSFET的柵極電壓拉低。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部有一個(gè)比較器，持續(xù)監(jiān)測MOSFET的柵極電壓。當(dāng)柵極電壓下降到一個(gè)預(yù)設(shè)的安全閾值以下時(shí)（例如，相對于負(fù)電源軌VEE為2.2V），比較器會(huì)觸發(fā)，導(dǎo)通一個(gè)內(nèi)部的低阻抗開關(guān)。下圖中T8這個(gè)鉗位開關(guān)閉合后，將主功率MOSFET的柵極直接連接到負(fù)電源軌（VEE）或地。這個(gè)通路的導(dǎo)通電阻極低，為后續(xù)可能出現(xiàn)的米勒電流提供了一個(gè)泄放路徑。該鉗位狀態(tài)會(huì)一直保持，直到下一個(gè)開通指令到來。



我司專為碳化硅MOSFET設(shè)計(jì)了一系列自研驅(qū)動(dòng)IC，包括BTD5350x系列、BTD25350x系列、BTD21520x系列。

我們的門極驅(qū)動(dòng)芯片包括隔離驅(qū)動(dòng)芯片，自舉橋式驅(qū)動(dòng)芯片和低邊驅(qū)動(dòng)芯片，絕緣最大浪涌耐壓可達(dá)8000V，峰值電流高達(dá)正負(fù)15A，可支持耐壓1700V以內(nèi)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)需求。

其中BTD5350x系列和BTD2535x系列中一些特定型號(hào)副方驅(qū)動(dòng)器帶米勒鉗位功能腳clamp，驅(qū)動(dòng)器輸出峰值電壓可達(dá)10A，clamp腳內(nèi)阻典型值約為350mΩ，鉗位峰值電流能達(dá)到10A！


驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)回路電感控制，這比較考驗(yàn)PCB layout和功率回路設(shè)計(jì)的工程師。優(yōu)化的核心原則是基于電磁場理論：電感與電流環(huán)路的面積成正比，與導(dǎo)體的寬度成反比。所有布局優(yōu)化的目標(biāo)都可以歸結(jié)為：最小化驅(qū)動(dòng)電流環(huán)路的面積。

在驅(qū)動(dòng)IC的電源引腳（VCC和VEE/GND）處，必須盡可能近地放置低ESL的陶瓷去耦電容，這些電容為柵極充放電提供瞬時(shí)的高頻電流，減小了從主電源到驅(qū)動(dòng)IC的電流環(huán)路面積。

通過施加一個(gè)負(fù)的關(guān)斷電壓（如-2V至-5V），提高了實(shí)際的開啟門檻，這是抑制開通串?dāng)_最直接有效的方法之一。

Rg的選擇比較麻煩，需要在開關(guān)速度、損耗、振蕩和串?dāng)_之間進(jìn)行權(quán)衡，所以我們常常感覺碳化硅MOSFET的雙脈沖特別不好做，門極參數(shù)匹配需要比較多的經(jīng)驗(yàn)。（在測試前可以用仿真預(yù)先摸一把門極參數(shù)）


以上為青銅劍技術(shù)和基本半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)的系列驅(qū)動(dòng)器，BSRD-2427和BSRD-2503分別適配34mm、62mm碳化硅半橋模塊，集成米勒鉗位。驅(qū)動(dòng)器所應(yīng)用到的雙通道隔離變壓器TR-P15DS23-EE13、單通道隔離驅(qū)動(dòng)芯片BTD5350MCWR、正激DCDC電源芯片BTP1521x三款零件均為公司自主研發(fā)產(chǎn)品，客戶可分別采購進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)。



參考文獻(xiàn)：

-張宇，李先允，王書征等；SiC MOSFET柵源回路參數(shù)的串聯(lián)擾動(dòng)研究[J]；電氣傳動(dòng)，2021，51(16)：33-38.

-劉敏安，羅海輝，盧圣文，王旭，李誠；SiC MOSFET模塊串?dāng)_問題及應(yīng)用對策研究；機(jī)車電傳動(dòng)，2023，2：36-42.

- Infineon, CoolSiCTM MOSFET 650 V M1 trench power device.

- Raszmann, Emma Barbara，Series-Connection of Silicon Carbide MOSFET Modules using Active Gate-Drivers with dv/dt Control.