在IGBT時代,門極電壓的選擇比較統一,無非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V這幾檔。而在新興的SiC MOSFET領域,還未有約定俗成的門極電壓規範。本文願就SiC MOSFET的門極電壓選擇上的困惑,提供些有用的參考。 下文所述,主要以英飛凌工業1200V SiC MOSFET的M1H系列產品與應用為參考,其他不同電壓等級或不同廠家的SiC產品,不盡相同。 在SiC產品的規格書中,都會有SiC Vgs電壓範圍和推薦電壓區間(如圖1所示),以供大家在實際應用中參考。但是推薦非強制,關於Vgs的關斷電壓,既可0V,也可負壓。 ![]() 備註1:今年(2022)新出的M1H單管系列,其門極Vgs電壓的負壓極值,從上述的-7V進一步擴展到-10V,使得客戶的負壓選取更加靈活,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範圍如何變化,落實到應用層面:到底如何選取SiC門極電壓?應該考慮哪些方面?性能與可靠性如何取捨?讀罷此文,自然撥雲見日。
❶ SiC MOSFET的Vgs正壓對Rdson和Esw的影響 以英飛凌工業1200V/M1H系列SiC單管為例,如圖1所示,Vgs最高正壓為23V,考慮5V餘量,實際應用可選擇15V或18V作為開通電壓。
1.1 Vgs正壓越高,其Rdson越小 工業1200V/M1H規格書Rdson標定值,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的仿真結果。正壓Vgs越高,其Eon越小。因此,對於開關頻率高或者只有Eon或Eoff的軟開關場合,猶需關注。 圖2.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對SiC開關特性的影響(25C) 圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V),對SiC開關特性的影響(25C)
❷ SiC MOSFET的Vgs負壓對Rdson和Esw的影響 2.1 Vgs負壓不同,其Rdson不變 2.2 Vgs負壓越低,其Esw越低(Eoff) 同樣,我們看下不同Vgs負壓的仿真結果,如圖4和圖5所示:
圖4.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V),對SiC開關特性的影響(25C) 圖5.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V),對SiC開關特性的影響(25C)
因此,如果選擇Vgs=-3V關斷,對於SiC的Rdson無所助益,但是對關斷損耗Eoff的減小還是比較明顯的,尤其對一些只有關斷損耗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通風險也是立竿見影。 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 那麼,我們直接選擇Vgs=+18V/-3V,豈不是皆大歡喜? ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 關於這個問題,其實沒有標準答案:應用不同,答案不同,設計不同,答案也不同…… 因為,在SiC器件的設計與應用中,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。 ❸ SiC MOSFET的Vgs電壓對短路特性的影響 承接上文的問題,為什麼不能直接以Vgs=+18V/-3V,“放之四海而皆準”。 首先Vgs正壓18V或15V直接關係到SiC的短路特性之有無,而有些應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應用的延續與遺產。
❹ SiC MOSFET的Vgs電壓對門極可靠性的影響 圖8.SiC門極氧化層可靠性挑戰與英飛凌SiC可靠性白皮書簡介
具體的在這裡就不贅述了,請參見下面的鏈接:
我們繼續聊Vgs負壓選取的問題,在常見的半橋拓撲中,大多存在由米勒電容和源極電感產生的Vgs尖峰,分別為開通時刻的overshoot和關斷時刻的undershoot。 ❺ 總 結 綜上所述,選取合適的Vgs電壓,除了參考規格書的推薦值之外,不僅要考慮對Rdson的變化,也要考慮對Esw的影響,同時要兼顧所在應用和設計中,對可靠性的相關要求,最終的Vgs電壓值,一定是折衷與優化的結果,如圖10所示。
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,遠勝於人云亦云的所謂經驗Vgs電壓值。 |