SiC MOSFET柵源回路參數的串聯擾動研究

張宇，李先允，王書征，唐昕杰，袁宇，盧乙

（南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167）

現如今，新能源發電、電動汽車以及開關電源等領域的發展趨向于高效率、高轉化率以及高可靠性。這使得以碳化硅（silicon carbide，SiC）器件為首的寬禁帶半導體器件以其高開關頻率、低開關損耗、低散熱需求等優點得到越來越多的關注[1-3]。SiC材料的熱導系數是Si材料的2.5倍，飽和電子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的頻率、更高的開斷速度下工作。現如今對SiC器件的研究主要集中在SiC MOSFET，與傳統Si MOSFET相比，SiC MOSFET具有更快的開斷速度，更高的功率密度，更高的正向耐壓，更低的散熱需求[4-6]，并且柵源兩端具有良好的反向耐壓能力（第一代SiC MOSFET可承受-5V，第二代SiC MOSFET可承受-10V）[2]，由于其卓越的性能，SiC MOSFET在中、高壓領域出現了代替Si IGBT的趨勢[7-8]。但是隨著電壓水平和開關速度的提升，電路中寄生參數所帶來的擾動現象將更加嚴重，這將威脅系統的安全運行[9-10]。雖然依靠新的PCB制作工藝以及封裝技術可以有效地減少寄生參數的大小，但是SiC MOSFET也依然面臨著串聯擾動以及電磁干擾和電磁應力的風險[11]，這些負面效應會在一定程度上加速器件老化，嚴重時甚至造成器件損壞。串聯擾動現象主要存在于換流器上、下橋臂結構中，當上橋臂開通時，過高的du/dt作用在下橋臂器件寄生電容上會產生正壓尖峰，正壓尖峰超過閾值電壓時會造成器件的誤導通，這將影響系統整體的安全性[12-14]。當上橋臂關斷時，積累在寄生電容中的能量得到釋放會產生負壓尖峰，負壓尖峰小于器件柵極耐受值時，會造成器件的損壞。

綜上所述，基于柵源回路參數的調控，對器件串聯擾動現象進行分析研究[15]，得到串聯擾動的影響因素，這對SiC MOSFET的工程應用具有極大的意義。本文首先基于串聯回路中的單個橋臂進行驅動回路簡化分析，建立數學模型，得到影響串聯擾動的各個因素，然后搭建平臺進行實驗驗證，最后對實驗波形進行進一步分析。

1 簡化建模分析

圖1為典型同步Buck電路。圖1中，上、下橋臂功率開關器件QH，QL均為SiC MOSFET；Cgs，Cgd，Cds為SiC MOSFET封裝寄生電容；Cdc為濾波電容；Ld，Lg，Ls，Lloop為雜散電感；ZL為負載；Rg為柵極電阻，由驅動電阻和柵源回路寄生電阻組成；Cg為外加柵極電容，用于柵源電容Cgs的調控，理論分析時不參與討論；Vq為驅動電壓；Vdc為母線電壓。本文通過研究上橋臂SiC器件快速開斷時，下橋臂器件柵源兩端產生的電壓尖峰來研究串聯擾動現象，文中將串聯擾動分為兩個階段分析，其中，第一階段產生正壓尖峰，第二階段產生負壓尖峰。圖2為串聯擾動等效電路，圖3為對應的簡化等效電路。

圖1 同步Buck電路Fig.1 Synchronous Buck circuit

圖2 串聯擾動等效電路Fig.2 Series disturbance equivalent circuit

圖3 簡化等效電路Fig.3 Simplified equivalent circuit

1.1 柵源回路參數對正壓尖峰的影響

當QH快速導通時，QL漏源兩端電壓vds瞬間由0升高至母線電壓Vdc，過高的du/dt作用在Cgd上將產生漏電流Igd，并對Cgs進行充電，使Cgs上形成一個正的電壓尖峰，正壓尖峰等效電路具體如圖2a所示。其中，Igd，Igs，Ids分別為電容Cgd，Cgs和Cds上的電流；Ig，Id，Is分別為器件柵、漏、源極流過的電流；vCL等效為上橋臂開通瞬間作用在下橋臂器件漏源兩端的電壓（不考慮器件導通電阻的變化），由上橋臂開斷速度和母線電壓Vdc共同決定，可近似等效為

其中

a=Vdc/ton

式中：ton為下橋臂漏源電壓上升時間。

根據基爾霍夫定律對圖3a進行節點電壓方程的列寫：

點G，S分別為器件柵、源極，解得：

進行Laplace逆變換，并假設：

解得：

以SiC MOSFET器件C2M0080120D為例，輸入電容Ciss=950 pF且隨vds變化較小，柵漏電容電容Cgd隨著vds的增大迅速降低，取Cgd=15 pF。當器件工作電壓Vdc=500 V時，假設柵源電壓上升時間為49 ns，串擾等效電源的系數a=1.53×107V/s，驅動電壓為+20/-5 V，改變柵源回路參數得到正壓尖峰幅值如表1所示。

表1 不同柵源回路參數下的正壓尖峰幅值Tab.1 Spike amplitude of positive pressure under different grid-source loop parameters

由表1分析可得，當上橋臂開斷速度和母線電壓不變，即a為定值時，正壓尖峰幅值隨著驅動電阻Rg、雜散電感Lg的增大而增大，隨著寄生電容Cgs增大而減小，其中Cgs可以通過柵極電容Cg進行調控。

1.2 柵源回路參數對負壓尖峰的影響

當QH快速關斷時，QL漏源兩端電壓vds由母線電壓Vdc迅速降為0，積累在電容Cgd上的能量開始釋放并形成漏電流Igd，當漏電流流經Cgs時將在柵源電容上形成一個負的電壓尖峰，具體如圖2b所示。圖2b為負壓尖峰等效電路，其中ZL為負載，IL為流過負載的電流。由于Cds放電過程中電流Ids不經過電容Cgs，討論vgs的時候可以忽略。雜散電感Ls僅為引腳雜散電感，其值過小，近似計算時可以省略。Cgd放電時二極管VD反向截止，僅在放電結束時為Ld提供續流通道，當忽略負載ZL以及線路雜散電感的影響，僅針對柵源回路對正壓尖峰等效電路進行簡化以及Laplace變換，具體如圖3b所示。其中，系數b=Vdc/toff，下橋臂漏源電壓下降時間toff由上橋臂關斷速度決定，現假設系數b為定值。根據基爾霍夫定律對圖3b進行節點電壓方程的列寫：

對式（6）進行求解，得：

聯立式（4）對式（7）進行Laplace逆變換，得：

當器件工作電壓Vdc=500 V時，假設器件關斷速度為40 ns，理想狀態下柵漏電容放電系數b=1.87×107V/s，改變柵源回路參數得到負壓尖峰幅值如表2所示。

表2 不同柵源回路參數下的負壓尖峰幅值Tab.2 Spike amplitude of negative pressure under different grid-source loop parameters

由表2可知，當系數b為定值時，vgs負壓尖峰幅值隨柵極電阻Rg、柵極電感Lg的增大而增大，柵極電容Cg增大，即柵源電容Cgs增大時，負壓尖峰幅值變化減小。

1.3 負載電阻對負壓尖峰的影響

當不考慮負載電阻時，vds的下降時間toff主要由上橋臂器件的關斷速度決定，具體如1.2節所述。但由圖2b可知，在同步Buck電路中，負壓尖峰階段Cgd釋放能量時將會經過負載電阻ZL，假設電容Cgd放電初始為恒壓源，有：

式中：Zg為柵源回路阻抗。

當ZL增大時，Igd隨之下降，由Qgd=CgdVdc=Igdtoff可知，當電容兩端電壓和儲存電荷不變時，Cgd的放電時間toff將會隨之增大（toff≥tf，tf為上橋臂器件關斷時間），電容Cgd放電轉為自由放電，電壓下降速度不再由tf決定，此時負壓尖峰簡化電路如圖3c所示。由于圖中標記部分端口結構未發生變化，輸入電流Igd減小會使負壓尖峰幅值降低，toff增大使負壓尖峰持續時間增大，同時兩者共同作用使得調控寄生電感Lg對負壓尖峰幅值的影響降低。本文主要討論柵源回路對串聯擾動的影響，故對負載的影響不做深入研究。

2 實驗驗證

搭建如圖4所示的同步Buck電路實驗平臺進行電壓尖峰觀察及上述推導的實驗驗證。實驗采用Tektronix公司生產的DPO4054B示波器及其配套電壓探頭TPP0500和P5205A，SiC MOS?FET采用CREE公司的C2M0080120D，續流二極管為SiC肖特基二極管C4D20120D，觸發脈沖由Firstack公司生產的脈沖觸發儀提供。圖5為電壓尖峰實驗波形，由于負載電阻的存在，負壓尖峰幅值較小，實驗波形同時也證實本次實驗平臺的正確性。

圖4 實驗平臺Fig.4 Experiment platform

圖5 電壓尖峰Fig.5 Voltage spike

對上述理論分析進行實驗驗證，為了保護器件安全運行，基礎測試電壓Vdc選為500 V，驅動電阻Rg為5 Ω，柵極電容Cg為1 nF，柵極電感Lg為0，負載電阻ZL為50 Ω。圖6為改變柵源回路參數時的電壓尖峰波形，為了清晰地表達波形變化，僅展示部分參數，其中左圖均為正壓尖峰波形，右側均為負壓尖峰波形。圖6a為驅動電阻分別為0 Ω，7.5 Ω，12.5 Ω，20 Ω時的電壓尖峰波形。由圖6a可得，當驅動電阻增大時，正、負壓尖峰均增大，負壓尖峰震蕩變小，這是由于驅動電阻與柵極電容形成RC濾波，降低震蕩。圖6b為柵極電容分別為0 nF，0.5 nF，1 nF，10 nF時的電壓尖峰波形，由圖6b可得，當柵極電容增大時，正、負壓尖峰均變小，負壓尖峰震蕩也變小。圖6c為柵極電感分別為23 nH，81 nH，257 nH時的電壓尖峰波形，由圖6c可得，當柵極雜散電感增大時，正壓尖峰變大，負壓尖峰基本不變，負壓尖峰震蕩變大。

圖6 改變柵源回路參數時的電壓尖峰Fig.6 Voltage spike with different gate-source loop parameters

圖7為不同柵源回路參數的電壓尖峰值，統計了改變柵源回路參數時的所有實驗結果。由圖7可得，當驅動電阻為0～20 Ω，僅驅動電阻增大其他條件不變時，正、負壓尖峰均增大。柵極電容為0～10 nF時，隨著柵極電容的增大，正、負壓尖峰均減小。柵極電感為0～300 nH時，柵極雜散電感增大，正壓尖峰增大，負壓尖峰基本不變。其中，正壓尖峰幅值變化較大，負壓尖峰幅值變化較小，這與負載電阻的接入有關。

圖7 不同柵源回路參數的電壓尖峰值Fig.7 Voltage spikes of different gate-source loop parameters

由1.3節推導可知，當其它條件不變時，負載電阻的大小會影響負壓尖峰幅值的大小和持續時間，現通過實驗進行驗證。不同負載電阻時，器件漏源電壓vds及負壓尖峰之間的關系如圖8所示，由圖8可見，當負載電阻增大時，vds下降時間也增大，同時負壓尖峰持續時間正比于vds下降時間，幅值大小正比于dvds/dtoff。

圖8 不同負載電阻的負壓尖峰Fig.8 Negative voltage spikes with different load resistances

對上述實驗分析可得，通過對柵源回路參數的調控可以達到調節電壓尖峰的目的，與前文理論分析結果一致。為了同時滿足SiC MOSFET驅動的快速性與安全性，驅動回路設計時PCB布局注意降低寄生參數，驅動參數選擇時，建議降低驅動電阻的大小，利用增大柵極電容來降低器件高速開斷過程中的過沖與震蕩現象。以Buck電路為例，負載的大小會影響負壓尖峰幅值以及持續時間，換流器正常運行時建議工作在滿載狀態。

3 總結

本文基于柵源回路參數調控對SiC器件串聯擾動現象進行分析研究并進行實驗驗證，結果表明：

1）器件所受的串聯擾動現象是器件高速開斷形成的du/dt作用在相鄰器件封裝寄生電容上引起的，可以通過柵源回路參數和負載阻抗進行調控。

2）電壓尖峰隨著驅動電阻、雜散電感的增大而增大，隨著柵極電容的增大而減小，較大的負載電阻有利于降低負壓尖峰。驅動電路設計中應該降低驅動電阻的大小，通過提高柵極電容來抑制開關震蕩。

3）伴隨電壓尖峰出現的尖峰震蕩也對器件安全產生威脅，還需進一步研究。