应用指南 | 如何选择SiC MOSFET驱动负压

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近年来，宽禁带半导体SiC器件得到了广泛重视与发展。SiC MOSFET与Si MOSFET在特定的工作条件下会表现出不同的特性，其中重要的一条是SiC MOSFET在长期的门极电应力下会产生阈值漂移现象。本文阐述了如何通过调整门极驱动负压，来限制SiC MOSFET阈值漂移的方法。在文末还有一个小测试，回答正确的读者将有机会获得我们送出的《IGBT模块：驱动、技术和应用》一本。

Vth漂移现象

由于宽禁带半导体SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半导体氧化层界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。为了理解这些差异，解释这些差异与材料本身特性的关系，评估其对应用、系统的影响，需要更多的研究及探索。

就静态门极偏置而言，针对Si器件阈值特性的标准测试流程并不适用于SiC MOSFET。因此，一种新的测试方法——测试-偏置-测试——被用来评估SiC MOSFET的BTI（Bias-Temperature Instabilities，偏压温度不稳定性）特性。它可以区分可恢复的Vth漂移以及永久性的阈值漂移。这种测量技术已经用来对最新发布的SiC MOSFET的阈值稳定性进行了深度研究，结果表明英飞凌CoolSiC MOSFET Vth稳定性在众多的器件中表现优异，具有极低的BTI以及非常窄的阈值漂移窗口。

英飞凌对CoolSiC MOSFET在不同的开关条件下进行了长期的研究测试。数据显示，长期的开关应力会引起Vth的缓慢增加。这一现象，在不同品牌、不同技术的SiC MOSFET上均可以观测到。相同偏置条件下不同器件的Vth漂移值是相似的。Vth上升会引起Rds(on)的轻微上升，长期影响是通态损耗会增加。

需要注意的是，器件的基本功能不会被影响，主要有：

1、耐压能力不会受影响

2、器件的可靠性等级，如抗宇宙射线能力，抵抗湿气的能力等不会受影响。

3、Vth漂移会对总的开关损耗有轻微影响

影响Vth漂移的参数主要包括：

1、开关次数，包括开关频率与操作时间

2、驱动电压，主要是Vgs(off)

以下参数对开关操作引起的Vth漂移没有影响

1、结温

2、漏源电压

3、漏极电流

4、dv/dt, di/dt

Vth漂移对应用的影响

长期来看，对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加Rds(on)。通常来说，增加Rds(on)会增加导通损耗，进而增加结温。在计算功率循环时，需要把这个增加的结温也考虑进去。

结温的增加是否需要格外重视取决于实际应用及工况。在很多案例中，即便是20年工作寿命到期后，结温的增加仍然可以忽略不计。然而在另一些应用中结温的增加可能就会很重要。因此，在这种情况下，就需要根据下述的设计指导进行驱动电压选择。

门极驱动电压设计指导


通过控制门极负压Vgs(off)，Vth漂移可以被限制在一个可接受的水平内。不论什么情况下，关断电压的上限都是0V，同时，关断电压的下限需要根据开通电压、开关频率、以及操作时间来选择一个合适的值，使Rds(on)的增加限制在一定范围之内。

3.1 设计指导

Vth的动态漂移随着开关次数的增加而增加，为了好理解，总的开关次数被转化为10年内不间断工作（24小时/7天）的归一化的工作频率。知道实际工作频率（kHz），目标寿命（年），以及工作寿命之内系统工作的百分比，归一化的工作频率可以通过以下公式计算

归一化频率 fsw= 实际工作频率 fsw [kHz] ×寿命[yrs] ×工作时间占比[%] ÷ 10 [yrs]

使用估算得到的归一化频率，可以从图1及图2中找到最小的关断电压Vgs(off)下限值。图2及图3分别适用于Vgs(on)=15V及Vgs(on)=18V

图1  Vgs(on)=15V时的最低关断电压Vgs(off)

图2 Vgs(on)=18V时的最低关断电压Vgs(off)

可以通过以下的例子更好地理解上述计算方法。如一个光伏逆变器的典型工况：

1、实际工作频率20kHz

2、目标工作寿命20年

3、工作占比50%

4、归一化的工作频率为20 kHz * 20 yrs. * 50% / 10 yrs. = 20 kHz

如果开通电压是15V, 关断电压的范围应在-3.6到0V之间（见图1）。如果开通电压是18V，关断电压的范围应在在-4.4V到0V之间，如图2。

3.2 安全工作区定义

制定安全工作区的最低关断电压的前提是：

1、最低推荐门极电压-5V

2、在工作寿命末期，相对于初始值，Rds(on)增加小于15%

因此，在安全工作区内使用器件，在工作寿命末期，Rds(on)增长将会小于15%.

Rds(on)的增量还取决于工作电流Id，和结温Tj (如图3)。因此，Rds(on)的增量需要考虑最严苛的工况。这能够保证Rds(on)的增加在任何工况下都不会超过15%。工况如下：

1、高电流：两倍的额定电流

2、中等的结温：Tj=100℃

图4  不同温度下Rds(on)的相对增长

通常来说，15%的Rds(on)增量是最坏的情况。更大的增量只可能出现在高电流和低结温的工况中，这在实际应用中十分罕见。

3.3 使用18V门极电压时的注意事项

为了与其它器件兼容，CoolSiC MOSFET可以使用18V的门极电压。

请注意，高于15V的门极开通电压对于Rds(on)有两个相反的影响

1、它可以减小Rds(on)

2、它会加速Vth漂移效应，意味着Rds(on)的增长会更快

对于一个相对比较低的工作频率（大约小于50kHz），Rds(on)减小效应占主导地位。

对于比较高的工作频率，需要采用一个较高的负压(更接近0V)来防止Vth漂移加速。

需要注意的是，门极电压18V时的短路电流要远远高于15V。因此器件在Vgs(on)=18V时不能达到预定的短路能力。

3.4 减小关断负压的注意事项

器件工作在一个较高的门极负压时（如-2V代替-5V）,对于应用的影响很小。一些应用相关参数需要考虑如下：

1、Eon 和Eoff会稍微改变

2、SiC MOSFET的体二极管正向压降会降低

3、误导通风险增加，可能会增加开通损耗。如在0V关断，较高的的关断门极电阻，更大的门极-源极回路电感等情况中更加明显

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wudianjun2001

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