SiC MOSFET的Vgs门极电压的选取及其影响

日期:2022-06-06 来源:英飞凌工业半导体阅读:305
核心提示:在IGBT时代,门极电压的选择比较统一,无非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V这几档。而在新兴的SiC MOSFET领域,还未有约定俗成

在IGBT时代,门极电压的选择比较统一,无非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V这几档。而在新兴的SiC MOSFET领域,还未有约定俗成的门极电压规范。本文愿就SiC MOSFET的门极电压选择上的困惑,提供些有用的参考。

下文所述,主要以英飞凌工业1200V SiC MOSFET的M1H系列产品与应用为参考,其他不同电压等级或不同厂家的SiC产品,不尽相同。

 

在SiC产品的规格书中,都会有SiC Vgs电压范围和推荐电压区间(如图1所示),以供大家在实际应用中参考。但是推荐非强制,关于Vgs的关断电压,既可0V,也可负压。

 

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图1.IMBG120R030M1H规格书Vgs说明

 

备注1:今年(2022)新出的M1H单管系列,其门极Vgs电压的负压极值,从上述的-7V进一步扩展到-10V,使得客户的负压选取更加灵活,同时门极的AC BTI特性也得到大幅提升。

 

万变不离其宗,其实无论器件的门极电压范围如何变化,落实到应用层面:到底如何选取SiC门极电压?应该考虑哪些方面?性能与可靠性如何取舍?读罢此文,自然拨云见日。

 


SiC MOSFET的Vgs正压对Rdson和Esw的影响

 

以英飞凌工业1200V/M1H系列SiC单管为例,如图1所示,Vgs最高正压为23V,考虑5V余量,实际应用可选择15V或18V作为开通电压。

 

1.1 Vgs正压越高,其Rdson越小

 

工业1200V/M1H规格书Rdson标定值,皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V适之,则Rdson还会增加。举例:

Rdson=30mOhm@Vgs=+18V,

则Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。

 

1.2 Vgs正压越高,其Esw也越小(Eon)

 

为了更直观说明不同Vgs正压对Esw的影响,利用官网的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H),搭建了简单的仿真电路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm),如图2和图3所示,是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真结果。正压Vgs越高,其Eon越小。因此,对于开关频率高或者只有Eon或Eoff的软开关场合,犹需关注。

     

            

图2.不同Vgs正压(Vgs=18V和15V),对SiC开关特性的影响(25C)

 

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图3.不同Vgs正压(Vgs=18V和15V),

对SiC开关特性的影响(25C)

 

因此,如果选择正压15V驱动,相对18V而言,不仅会牺牲导通损耗(Rdson),也会增加一些开关损耗(Eon)。当然15V驱动也有好处,受益于开通速度的降低,开通的overshoot有所改善,对于Vgs寄生导通会有一定帮助。

 

SiC MOSFET的Vgs负压对Rdson和Esw的影响

 

2.1 Vgs负压不同,其Rdson不变

 

2.2 Vgs负压越低,其Esw越低(Eoff)

 

同样,我们看下不同Vgs负压的仿真结果,如图4和图5所示:


图4.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V),

对SiC开关特性的影响(25C)

 

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图5.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V),

对SiC开关特性的影响(25C)

 

因此,如果选择Vgs=-3V关断,对于SiC的Rdson无所助益,但是对关断损耗Eoff的减小还是比较明显的,尤其对一些只有关断损耗Eoff的场合收益明显。同时选择Vgs=-3V对降低开通时刻的寄生导通风险也是立竿见影。

 

那么,我们直接选择Vgs=+18V/-3V,

岂不是皆大欢喜?

关于这个问题,其实没有标准答案:应用不同,答案不同,设计不同,答案也不同……

 

因为,在SiC器件的设计与应用中,除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外,可靠性和鲁棒性也是不可忽视的一部分。尤其是Vgs电压对短路特性和门极可靠性的影响。

 


SiC MOSFET的Vgs电压对短路特性的影响

 

承接上文的问题,为什么不能直接以Vgs=+18V/-3V,“放之四海而皆准”。

 

首先Vgs正压18V或15V直接关系到SiC的短路特性之有无,而有些应用又对器件短路能力刚需,则只能选择15V,而选择Vgs=18V则意味着器件失去了短路耐受能力。

 

与此同时,与IGBT的短路耐受类似,不同的母线电压也会影响其短路耐受时间。

 

一言以蔽之,SiC MOSFET的短路耐受能力,相比类似电流规格的IGBT要差很多。其实也不难理解,毕竟在MOSFET的Si时代,如英飞凌引以为傲的CoolMOS家族,都是没有短路耐受能力的,所谓的短路耐受只是IGBT应用的延续与遗产。

 

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图6.SiC MOSFET的短路特性

 

关于为啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短,简而言之,就是电流大、面积小、热层薄导致的短路能量密度远超IGBT短路的情况(约20倍),具体可参见下面的图7所述:

 

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图7.SiC与IGBT的短路能量密度对比

 


SiC MOSFET的Vgs电压对门极可靠性的影响

 

继续承接上文的问题,讲完Vgs正压选取与短路特性之后,我们再看看Vgs关断负压与门极可靠性的问题。关于这个热门问题,英飞凌之前专门推出过一份内容详实堪称业界典范的白皮书,并且在不同场合和平台都给大家做过深入的剖析和讲解。核心内容,如图8所示:

 

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图8.SiC门极氧化层可靠性挑战与英飞凌SiC可靠性白皮书简介

 

具体的在这里就不赘述了,请参见下面的链接:
     https://mp.weixin.qq.com/s/w61_-u0ictViunUFWf5rMA

“英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性”

 

我们继续聊Vgs负压选取的问题,在常见的半桥拓扑中,大多存在由米勒电容和源极电感产生的Vgs尖峰,分别为开通时刻的overshoot和关断时刻的undershoot。

 

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图9.SiC MOSFET门极Vgs的overshoot和undershoot示意图

 

Vgs的负压选取,既要overshoot不超过门槛电压Vgs.th,也要undershoot不超过Vgs.min限值。

 


总 结

 

综上所述,选取合适的Vgs电压,除了参考规格书的推荐值之外,不仅要考虑对Rdson的变化,也要考虑对Esw的影响,同时要兼顾所在应用和设计中,对可靠性的相关要求,最终的Vgs电压值,一定是折衷与优化的结果,如图10所示。

 

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图10.SiC驱动电压Vgs选取与评估的综合考量参考

 

古人云:水无常势、人无常形。授人以鱼不如授人以渔。

 

掌握Vgs电压的选取与评估的方法,远胜于人云亦云的所谓经验Vgs电压值。

 


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