【導(dǎo)讀】本文探討了關(guān)斷時(shí)發(fā)生的柵極電壓欠沖對(duì)導(dǎo)通開關(guān)特性的影響。這種影響來自于閾值電壓的遲滯效應(yīng)，指柵偏壓變化時(shí)，閾值電壓的完全可恢復(fù)瞬態(tài)偏移。閾值電壓的遲滯效應(yīng)是由半導(dǎo)體-絕緣體界面缺陷中，電荷的短期俘獲和釋放引起的。因此，關(guān)斷時(shí)的柵極電壓欠沖會(huì)對(duì)碳化硅（SiC）MOSFET的開關(guān)特性產(chǎn)生影響。
我們?cè)趹?yīng)用條件下，使用雙脈沖測(cè)量進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，關(guān)斷柵極電壓欠沖對(duì)閾值電壓遲滯效應(yīng)的影響與恒定的關(guān)斷柵極電壓相同，進(jìn)而會(huì)對(duì)導(dǎo)通開關(guān)特性產(chǎn)生影響。然而，似乎只有在違背數(shù)據(jù)手冊(cè)所定義的最小瞬態(tài)電壓的邊界條件時(shí)，這種影響才有意義。
1 引言
在現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中使用SiC MOSFET，需要電路開發(fā)人員處理硅基功率器件聞所未聞的器件特性。閾值電壓遲滯效應(yīng)就是這樣的特性之一。文獻(xiàn)表明，這種由關(guān)斷柵極電壓所觸發(fā)的效應(yīng)，會(huì)大大影響SiC MOSFET的開通特性[2][4][9][10] [11]。例如，[2]證明了，雖然跨導(dǎo)不受影響，但導(dǎo)通過程中的閾值電壓和米勒電壓同時(shí)依賴于關(guān)斷柵極電壓。該試驗(yàn)還強(qiáng)調(diào)，雖然柵源電荷在導(dǎo)通期間幾乎不受關(guān)斷柵極電壓的影響，但當(dāng)關(guān)斷柵極電壓從-3V降低到-7V時(shí)，米勒電荷增加了大約5%。
這一分析在[4]所報(bào)告的研究結(jié)果中得到了證實(shí)。除了[2]，我們還可以通過[4]清楚地看出，利用這種效應(yīng)，有助于降低開通時(shí)的能量損耗。關(guān)斷柵極電壓對(duì)SiC MOSFET的開通行為有很大影響。與具體使用的器件技術(shù)無關(guān)，因此必須在設(shè)計(jì)階段就考慮到這一點(diǎn)[4]。
為此，從原則上來看，我們之前報(bào)告的[2]研究十分簡潔明了，并對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行了深入的理論性描述，因此，可以供電路設(shè)計(jì)人員使用。但是，該分析只討論了恒定關(guān)斷柵極電壓的影響，并沒有涵蓋更快的動(dòng)態(tài)變化，例如，柵極電壓欠沖。
因此，在本研究中，我們將重點(diǎn)關(guān)注，在閾值電壓遲滯的背景下，柵極電壓欠沖對(duì)SiC MOSFET開關(guān)特性的影響。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
本研究補(bǔ)充了[2]所報(bào)告的研究結(jié)果，[2]所討論的雙脈沖測(cè)量，是在240Ω的高外部柵極電阻下進(jìn)行的，從而可以忽略電路中寄生元件的影響。其測(cè)量結(jié)果可以直接追溯到SiC MOSFET芯片技術(shù)的物理特性。然而，由于開關(guān)速度低，不能立即得出其與類似應(yīng)用條件的相關(guān)性。
本研究對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充，我們?cè)诘湫蛻?yīng)用條件下（VDD=800V，ID=20A，T=25℃），使用采用TO247-4封裝的1200V SiC MOSFET進(jìn)行了雙脈沖測(cè)量（見圖2）。
SiC MOSFET的開關(guān)特性（特別是在高開關(guān)速度下）很大程度上取決于測(cè)量電路的寄生元件及其封裝。因此，在這項(xiàng)研究中，有必要減少所測(cè)電路的寄生影響。否則，這些影響可能會(huì)對(duì)SiC MOSFET電氣行為產(chǎn)生誤導(dǎo)性的解釋。因此，我們使用了雜散電感為6.5nH的低電感設(shè)置。
圖1為測(cè)量設(shè)置的等效電路圖，圖2為測(cè)量設(shè)置圖。
圖1：雙脈沖設(shè)置的等效電路圖
與傳統(tǒng)的高電感設(shè)置相比，這種低電感設(shè)置不采用母線軌，而是采用低ESL直流母線陶瓷電容器。
圖2：具有可調(diào)雜散電感的定制雙脈沖設(shè)置
如前所述，除了測(cè)量電路之外，快速開關(guān)SiC MOSFET的開關(guān)特性也在很大程度上受到封裝的影響。因此，本研究使用了TO247-4引線封裝（見圖3）。該封裝帶有一個(gè)輔助源極引腳和一根雜散電感約為4.5nH的源極鍵合線。
圖3：采用TO247-4封裝的1200V SiC MOSFET
3 結(jié)果與討論
本節(jié)的第一部分說明了應(yīng)用中的柵極電壓欠沖的含義和來源；第二部分解釋了電路設(shè)計(jì)人員該如何評(píng)估柵極電壓欠沖是否會(huì)影響SiC-MOSFET的開關(guān)特性；在最后一節(jié)，探討了柵極電壓欠沖對(duì)開關(guān)能量損耗以及器件熱行為的影響。
3.1 柵極電壓特性
圖4清楚地顯示了，外部柵極電阻分別為1Ω和10.1Ω時(shí)，關(guān)斷測(cè)量脈沖期間，柵極電壓隨時(shí)間的變化。驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷柵極電壓被設(shè)為-5V。
圖4：關(guān)斷測(cè)量脈沖期間，柵極電壓隨時(shí)間的變化
（T =25°C）
外部柵極電阻為10.1Ω時(shí)，被測(cè)器件的柵極電壓沒有明顯的欠沖；相比之下，外部柵極電阻為1Ω時(shí)，被測(cè)器件的最小觀測(cè)柵極電壓約為-10.5V，持續(xù)時(shí)間為幾納秒。
在不同的外部柵極電阻下，重復(fù)這些測(cè)量，并確定測(cè)得的最小關(guān)斷柵極電壓。
圖5所示的結(jié)果表明，最小柵極電壓在很大程度上受到外部柵極電阻的影響，并且柵極電壓欠沖可低于靜態(tài)關(guān)斷電壓5V。
圖5：關(guān)斷測(cè)量脈沖期間，柵極電壓與RG,ext的關(guān)系
這意味著SiC MOSFET被施加的最小關(guān)斷柵極電壓不僅與驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，還取決于關(guān)斷期間柵極電壓的額外欠沖。
該柵極電壓欠沖的幅度可以根據(jù)等式（1）計(jì)算：
在等式（1）中，
表示柵極環(huán)路的諧振頻率，具體由等式（2）計(jì)算而得：
在該等式中，LS為輔助源極鍵合線和引腳的電感，LG為柵極鍵合線和引腳的電感，LStray為柵極驅(qū)動(dòng)電路的雜散電感。
阻尼因子
可以通過內(nèi)部柵極電阻RINT和外部柵極電阻RG,EXT，按照等式（3）計(jì)算：
最后，可以使用等式（5），計(jì)算角本征頻率
：
假設(shè)有一個(gè)阻尼因子為0的理想的諧振器，則相對(duì)柵極電壓過沖可以使用等式（6）計(jì)算：
該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)柵極電壓欠沖。但必須注意，這些柵極電壓欠沖是由所使用的SiC MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)電路之間的相互作用造成的，不能只是追溯到所用的SiC MOSFET的電氣特性。
然而，如前所述，電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保柵極電壓欠沖不超過數(shù)據(jù)手冊(cè)所給出的最大瞬態(tài)電壓限制，并忽略其對(duì)導(dǎo)通開關(guān)特性的影響。
從理論的角度來看，電荷預(yù)計(jì)可以在幾納秒內(nèi)被俘獲。利用超快速的測(cè)量，數(shù)項(xiàng)研究提出了在柵偏壓變化的幾分之一微秒內(nèi)，閾值電壓的變化[9][10] [11]。這些結(jié)果與無輻射多聲子模型[12]一致，該模型將電荷俘獲描述為，影響閾值電壓的、在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的疊加電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。相關(guān)的俘獲和釋放時(shí)間常數(shù)可以非常低，以至于在欠沖時(shí)間內(nèi)，觸發(fā)相當(dāng)大的閾值電壓偏移。
因此，預(yù)計(jì)哪怕是在幾納秒范圍內(nèi)、非常短的關(guān)斷柵極電壓欠沖（見圖4），也會(huì)由于遲滯效應(yīng)，導(dǎo)致閾值電壓偏移，并可能對(duì)開通瞬變產(chǎn)生很大影響。
這種效應(yīng)鮮為人知，現(xiàn)有文獻(xiàn)中也沒有關(guān)于它的詳細(xì)描述。因此，我們將在下一節(jié)探討關(guān)斷期間的柵極電壓欠沖是否會(huì)影響SiC MOSFET的導(dǎo)通行為。
3.2 開關(guān)瞬變
我們?cè)谏弦还?jié)探討了應(yīng)用中柵極電壓欠沖的含義和來源；并證明了在非?？斓拈_關(guān)速度下，可能會(huì)出現(xiàn)低于靜態(tài)關(guān)斷柵極電壓5V的柵極電壓欠沖。
本節(jié)將介紹和探討，柵極電壓欠沖對(duì)后續(xù)導(dǎo)通開關(guān)特性的影響所產(chǎn)生的結(jié)果。
圖6顯示了柵極關(guān)斷電壓分別為0V和-5V、外部柵極電阻為10.1Ω時(shí)，器件的漏極電流和漏極電壓隨時(shí)間的變化。如圖4所示，在這個(gè)外部柵極電阻下，沒有觀察到柵極電壓欠沖。
圖6：漏極電流和漏極電壓與時(shí)間的關(guān)系
（RG,ext=10 Ω）
由于存在遲滯效應(yīng)，與在0V關(guān)斷柵極電壓下進(jìn)行的測(cè)量相比，在-5V關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓下，被測(cè)器件的閾值電壓明顯降低。
根據(jù)[2][4]，在-5V關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓下，開通瞬態(tài)電流應(yīng)該明顯更高。然而，如圖6所示，只要驅(qū)動(dòng)電壓保持高于-5V，則恒定關(guān)斷柵極電壓的影響就可以忽略不計(jì)。
如圖4所示，如果缺少適當(dāng)?shù)臇艠O電路設(shè)計(jì)，柵極電壓欠沖就可能會(huì)明顯低于-5V。例如，7Ω的外部柵極電阻和-5V的驅(qū)動(dòng)電壓，會(huì)導(dǎo)致柵極電壓最低達(dá)到-7V；而1Ω的外部柵極電阻和-5V的驅(qū)動(dòng)電壓，會(huì)導(dǎo)致柵極電壓最低達(dá)到-10.5V。
相應(yīng)的開關(guān)特性見圖7和圖8。
圖7：漏極電流和漏極電壓與時(shí)間的關(guān)系
（RG,ext=7 Ω）
這些導(dǎo)通開關(guān)特性表明，在有柵極電壓欠沖的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，關(guān)斷柵極電壓為-5V時(shí)，被測(cè)器件具有明顯更高的漏極電流斜率。在未觀察到柵極電壓欠沖的測(cè)量中，測(cè)量結(jié)果沒有顯示出這種差異，這表明額外的關(guān)斷柵極電壓欠沖，會(huì)影響導(dǎo)通開關(guān)特性。
圖8：漏極電流和漏極電壓隨時(shí)間的變化
（RG,ext=1 Ω）
這些結(jié)果表明，由觀察到的開關(guān)瞬態(tài)顯著增加可知，閾值電壓遲滯效應(yīng)可由柵極電壓欠沖觸發(fā)。
這些結(jié)果通過提取開關(guān)瞬變得到了進(jìn)一步的強(qiáng)調(diào)。圖9顯示了相應(yīng)的漏極電流斜率，圖10顯示了被測(cè)器件在柵極關(guān)斷電壓為0V和-5V時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏極電壓斜率和外部柵極電阻的關(guān)系。
考慮到關(guān)斷柵極電壓必須低于-5V，因此，可以認(rèn)為，在關(guān)斷柵極電壓為0V時(shí)進(jìn)行的測(cè)量中，開關(guān)瞬態(tài)不受滯后效應(yīng)的影響。相比之下，如圖9和圖10所示，在關(guān)斷柵極電壓為-5V和外部柵極電阻產(chǎn)生柵極電壓欠沖時(shí)進(jìn)行的測(cè)量中，開關(guān)瞬態(tài)速度顯著增加。
外部柵極電阻為6.7Ω時(shí)，關(guān)斷柵極電壓約為-7V，處于數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最大瞬態(tài)柵極電壓的范圍內(nèi)。在這種情況下，可以觀察到漏極電流斜率從5.5 A/ns增加到6A/ns，漏極電壓斜率從53V/ns，增加到60V/ns。
總而言之，這些結(jié)果表明，柵極電壓欠沖可能會(huì)觸發(fā)閾值電壓滯后效應(yīng)，從而降低閾值電壓，并導(dǎo)致更快的導(dǎo)通開關(guān)瞬態(tài)。但必須注意，這種效應(yīng)只與漏極電壓斜率大于40V/ns的、非?？斓拈_關(guān)速度有關(guān)。
圖9：漏極電流斜率與外部柵極電阻的關(guān)系
圖10：漏極電壓斜率與外部柵極電阻的關(guān)系
3.3 開關(guān)能量
除了主要與柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和電磁兼容性問題相關(guān)的開關(guān)瞬態(tài)外，電路設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)，還必須考慮熱損耗。對(duì)于這一點(diǎn)，本研究證實(shí)了從文獻(xiàn)[4]中了解到的情況，即遲滯效應(yīng)可能會(huì)由于更快的開關(guān)瞬態(tài)，而大大降低導(dǎo)通能量損失。
這種效應(yīng)見圖11。該圖顯示了，在關(guān)斷柵極電壓分別在0V和-5V時(shí)，進(jìn)行的開關(guān)測(cè)量中，導(dǎo)通能量損耗與外部柵極電阻的關(guān)系。
圖11：開通能量損耗與外部柵極電阻的關(guān)系
（T= 25°C）
柵極電阻低于7Ω時(shí)，與關(guān)斷柵極電壓為0V時(shí)進(jìn)行的測(cè)量相比，關(guān)斷柵極電壓在-5V時(shí)測(cè)得的導(dǎo)通開關(guān)能量損耗更低。除非考慮到閾值電壓滯后對(duì)導(dǎo)通開關(guān)特性的影響，否則這一點(diǎn)并不明顯，這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，導(dǎo)通特性與關(guān)斷柵極電壓無關(guān)。
然而，本研究證明了，閾值電壓遲滯效應(yīng)僅在關(guān)斷柵極電壓低于-5V時(shí)觸發(fā)（而非先前報(bào)告的-2 V）。研究還表明，即便外部柵極電阻非常低，柵極電壓欠沖也僅在-5V范圍內(nèi)。這意味著，關(guān)斷柵極電壓應(yīng)至少為-2V或更低，才能對(duì)導(dǎo)通能量損耗帶來明顯影響。然而，根據(jù)[8,9]，如果溫度很高，而且關(guān)斷柵極電壓低于-2V，那么SiC MOSFET的高邊體二極管內(nèi)的雙極電荷會(huì)明顯增加。這會(huì)導(dǎo)致明顯更高的開通能量損耗，從而抵消由于遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的更快開通。
如圖12所示，在175°C的結(jié)溫下，與關(guān)斷柵極電壓為0V時(shí)進(jìn)行的開關(guān)測(cè)量相比，關(guān)斷柵極電壓為-5V時(shí)，被測(cè)器件的開通能量損耗要高得多。
圖12：導(dǎo)通能量損耗與外部柵極電阻的關(guān)系
（T= 175°C）
但這并不意味著遲滯效應(yīng)不能被用來減少開通能量損耗。但是，為此必須減少SiC MOSFET高邊體二極管內(nèi)的反向恢復(fù)電荷（例如，通過縮短死區(qū)時(shí)間[9]。）
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來源：Andreas Huerner1, Paul Sochor1, Qing Sun1, Maximilian Feil2, Rudolf Elpelt1
1 英飛凌科技股份公司（德國埃爾朗根）
2 英飛凌科技股份公司（德國紐倫堡）
通訊作者：Andreas Huerner, andreas.huerner@infineon.com
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