如何選取SiC MOSFET的Vgs門極電壓及其影響
在IGBT時代,門極電壓的選擇比較統(tǒng)一,無非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V這幾檔。而在新興的SiC MOSFET領(lǐng)域,還未有約定俗成的門極電壓規(guī)范。本文愿就SiC MOSFET的門極電壓選擇上的困惑,提供些有用的參考。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/202206/435233.htm下文所述,主要以英飛凌工業(yè)1200V SiC MOSFET的M1H系列產(chǎn)品與應(yīng)用為參考,其他不同電壓等級或不同廠家的SiC產(chǎn)品,不盡相同。
在SiC產(chǎn)品的規(guī)格書中,都會有SiC Vgs電壓范圍和推薦電壓區(qū)間(如圖1所示),以供大家在實際應(yīng)用中參考。但是推薦非強制,關(guān)于Vgs的關(guān)斷電壓,既可0V,也可負(fù)壓。
圖1.IMBG120R030M1H規(guī)格書Vgs說明
備注1:今年(2022)新出的M1H單管系列,其門極Vgs電壓的負(fù)壓極值,從上述的-7V進一步擴展到-10V,使得客戶的負(fù)壓選取更加靈活,同時門極的AC BTI特性也得到大幅提升。
萬變不離其宗,其實無論器件的門極電壓范圍如何變化,落實到應(yīng)用層面:到底如何選取SiC門極電壓?應(yīng)該考慮哪些方面?性能與可靠性如何取舍?讀罷此文,自然撥云見日。
01 SiC MOSFET的Vgs正壓對Rdson和Esw的影響
以英飛凌工業(yè)1200V/M1H系列SiC單管為例,如圖1所示,Vgs最高正壓為23V,考慮5V余量,實際應(yīng)用可選擇15V或18V作為開通電壓。
1.1 Vgs正壓越高,其Rdson越小
工業(yè)1200V/M1H規(guī)格書Rdson標(biāo)定值,皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V適之,則Rdson還會增加。舉例:
Rdson=30mOhm@Vgs=+18V,
則Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。
1.2 Vgs正壓越高,其Esw也越小(Eon)
為了更直觀說明不同Vgs正壓對Esw的影響,利用官網(wǎng)的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H),搭建了簡單的仿真電路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm),如圖2和圖3所示,是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真結(jié)果。正壓Vgs越高,其Eon越小。因此,對于開關(guān)頻率高或者只有Eon或Eoff的軟開關(guān)場合,猶需關(guān)注。
圖2.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對SiC開關(guān)特性的影響(25C)
圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對SiC開關(guān)特性的影響(25C)
因此,如果選擇正壓15V驅(qū)動,相對18V而言,不僅會犧牲導(dǎo)通損耗(Rdson),也會增加一些開關(guān)損耗(Eon)。當(dāng)然15V驅(qū)動也有好處,受益于開通速度的降低,開通的overshoot有所改善,對于Vgs寄生導(dǎo)通會有一定幫助。
02 SiC MOSFET的Vgs負(fù)壓對Rdson和Esw的影響
2.1 Vgs負(fù)壓不同,其Rdson不變
2.2 Vgs負(fù)壓越低,其Esw越低(Eoff)
同樣,我們看下不同Vgs負(fù)壓的仿真結(jié)果,如圖4和圖5所示:
圖4.不同Vgs負(fù)壓(Vgs=0V和-3V),對SiC開關(guān)特性的影響(25C)
圖5.不同Vgs負(fù)壓(Vgs=0V和-3V),對SiC開關(guān)特性的影響(25C)
因此,如果選擇Vgs=-3V關(guān)斷,對于SiC的Rdson無所助益,但是對關(guān)斷損耗Eoff的減小還是比較明顯的,尤其對一些只有關(guān)斷損耗Eoff的場合收益明顯。同時選擇Vgs=-3V對降低開通時刻的寄生導(dǎo)通風(fēng)險也是立竿見影。
那么,我們直接選擇Vgs=+18V/-3V,
豈不是皆大歡喜?
關(guān)于這個問題,其實沒有標(biāo)準(zhǔn)答案:應(yīng)用不同,答案不同,設(shè)計不同,答案也不同……
因為,在SiC器件的設(shè)計與應(yīng)用中,除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外,可靠性和魯棒性也是不可忽視的一部分。尤其是Vgs電壓對短路特性和門極可靠性的影響。
03 SiC MOSFET的Vgs電壓對短路特性的影響
承接上文的問題,為什么不能直接以Vgs=+18V/-3V,“放之四海而皆準(zhǔn)”。
首先Vgs正壓18V或15V直接關(guān)系到SiC的短路特性之有無,而有些應(yīng)用又對器件短路能力剛需,則只能選擇15V,而選擇Vgs=18V則意味著器件失去了短路耐受能力。
與此同時,與IGBT的短路耐受類似,不同的母線電壓也會影響其短路耐受時間。
一言以蔽之,SiC MOSFET的短路耐受能力,相比類似電流規(guī)格的IGBT要差很多。其實也不難理解,畢竟在MOSFET的Si時代,如英飛凌引以為傲的CoolMOS家族,都是沒有短路耐受能力的,所謂的短路耐受只是IGBT應(yīng)用的延續(xù)與遺產(chǎn)。
圖6.SiC MOSFET的短路特性
關(guān)于為啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短,簡而言之,就是電流大、面積小、熱層薄導(dǎo)致的短路能量密度遠(yuǎn)超IGBT短路的情況(約20倍),具體可參見下面的圖7所述:
圖7.SiC與IGBT的短路能量密度對比
04 SiC MOSFET的Vgs電壓對門極可靠性的影響
繼續(xù)承接上文的問題,講完Vgs正壓選取與短路特性之后,我們再看看Vgs關(guān)斷負(fù)壓與門極可靠性的問題。關(guān)于這個熱門問題,英飛凌之前專門推出過一份內(nèi)容詳實堪稱業(yè)界典范的白皮書,并且在不同場合和平臺都給大家做過深入的剖析和講解。核心內(nèi)容,如圖8所示:
圖8.SiC門極氧化層可靠性挑戰(zhàn)與英飛凌SiC可靠性白皮書簡介
具體的在這里就不贅述了,請參見下面的鏈接:
“英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導(dǎo)體器件的可靠性”
我們繼續(xù)聊Vgs負(fù)壓選取的問題,在常見的半橋拓?fù)渲?,大多存在由米勒電容和源極電感產(chǎn)生的Vgs尖峰,分別為開通時刻的overshoot和關(guān)斷時刻的undershoot。
圖9.SiC MOSFET門極Vgs的overshoot和undershoot示意圖
Vgs的負(fù)壓選取,既要overshoot不超過門檻電壓Vgs.th,也要undershoot不超過Vgs.min限值。
05 總 結(jié)
綜上所述,選取合適的Vgs電壓,除了參考規(guī)格書的推薦值之外,不僅要考慮對Rdson的變化,也要考慮對Esw的影響,同時要兼顧所在應(yīng)用和設(shè)計中,對可靠性的相關(guān)要求,最終的Vgs電壓值,一定是折衷與優(yōu)化的結(jié)果,如圖10所示。
圖10.SiC驅(qū)動電壓Vgs選取與評估的綜合考量參考
古人云:水無常勢、人無常形。授人以魚不如授人以漁。
掌握Vgs電壓的選取與評估的方法,遠(yuǎn)勝于人云亦云的所謂經(jīng)驗Vgs電壓值。
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