由米勒電容引起的寄生導通通常被認為是當今碳化硅MOSFET的薄弱環(huán)節(jié)。為了避免這種影響，硬開關轉換器的柵極驅動設計通常采用負關斷柵極電壓來實現(xiàn)。但是，CoolSiC?MOSFET確實需要嗎？
所有柵極驅動設計的關鍵要素是柵極電壓電平的選擇。借助CoolSiC MOSFET技術，英飛凌允許設計人員在18 V至15 V之間選擇導通柵極電壓，從而將開關配置為分別具有最高的載流能力或短路耐用性。另一方面，關斷柵極電壓電平僅需確保器件保持安全關斷狀態(tài)。
英飛凌鼓勵設計人員在0 V電壓下工作其分立MOSFET，并受益于簡化柵極驅動電路。為強調這一鼓勵，本文介紹了一種易于再現(xiàn)的方法來表征碳化硅MOSFET的敏感性，并提供測試結果使用分立式CoolSiC MOSFET獲得。
半導體開關的不期望的導通可能是由對柵極的電感性和電容性反饋引起的。但是，與碳化硅MOSFET結合使用時，通常考慮的是通過Miller電容的電容反饋。在圖1中顯示了一種解釋這種效果的方案。低側開關S2的體二極管傳導負載電流IL，直到高側開關S1導通。
負載電流換向S1之后，S2的漏源電壓開始增加。在此階段，上升的漏極電勢通過米勒電容CGD上拉S2的柵極電壓。關斷柵極電阻器試圖抵消并拉低電壓。如果該電阻值不足以拉低電壓，則該電壓可能會超過閾值電平，從而導致直通并增加開關損耗。
圖1：體二極管關斷期間米勒電容CGD的影響。
自然，直通事件的風險和嚴重性取決于特定的操作條件和測量硬件。最關鍵的工作點是在高總線電壓，陡峭的電壓上升和較高的結溫下。
這些條件不僅導致柵極電壓上拉更強，而且降低了閾值水平。在硬件方面，影響的主要因素是與CGD并聯(lián)的不希望有的寄生板電容，與CGS并聯(lián)的外部電容器，關斷柵極電壓以及關斷柵極電阻。
設計人員經(jīng)常研究特定半導體開關的柵極電荷曲線，以了解其對寄生導通的敏感性。盡管這種方法非常簡單（對數(shù)據(jù)表進行簡要介紹就足夠了），但實際上并不能為應用得出結論。
主要缺點是柵極電荷特性實際上是靜態(tài)的，而寄生導通顯然是動態(tài)的。因此，進行了專門的特性測試，以評估在應用條件下采用TO-247 3引腳和4引腳封裝的1200 V / 45mΩCoolSiC MOSFET的寄生導通行為。所有測試均在0 V的關斷柵極電壓下進行。
半橋評估板的配置如圖2的示意圖所示。它實際上是一個換流單元，其中低端開關是被測器件，而高端開關用作dv / dt發(fā)生器。當高側器件導通時，低側器件上上升的漏極-源極電壓導致柵極電壓dvDS / dt，并且關斷柵極電阻越低，寄生導通的機會就越小-上。
實驗的目的是確定給定測試用例的臨界關斷柵極電阻值。與通過0Ω獲得的參考波形相比，所謂的臨界柵極電阻是導致Q *下降10％的值。閾值水平為10％，足以獲得可靠的測量數(shù)據(jù)，但又足夠小，在大多數(shù)應用中可以忽略不計。圖3。
在不同的溫度，不同的負載電流和不同的電壓斜率下進行測試。后者使用高端開關S1的RGon進行調整。
在零負載電流下進行測試意味著在開關瞬變之前，被測器件的體二極管沒有正向偏置。沒有二極管恢復發(fā)生；瞬變僅僅是電容的充電和放電。在這種情況下，寄生電感中感應的電壓不會發(fā)揮重要作用。因此，TO-247和TO-247-4-pin封裝的性能也相同。
在圖4中總結了在800 V和0 A下獲得的測量結果。很明顯，為了防止寄生導通，RGoff必須更低，dvDS / dt越高，溫度也越高。值得一提的是，即使在50 V / ns和175°C時，0 V的關斷柵極電壓也足以防止寄生導通。如果無法以足夠低的水平選擇RGoff，則具有有源Miller鉗位功能的驅動器（例如1EDC30I12MH）將提供解決方案。
在較高的負載電流水平下，會發(fā)生從S2的體二極管到S1的MOS溝道的硬換向。由于存在二極管反向恢復和感應電壓，因此情況變得稍微復雜一些。簡而言之，以下三種效果起作用：
顯然，上述效果的權重取決于實際的硬件設置。對于本文介紹的用于所有測試的評估板，最關鍵的條件是175°C和0A。因此，圖4中突出顯示的沒有寄生導通的區(qū)域也適用于40 A的測量。 –無論是否考慮使用TO-247或TO-247-4-引腳。
圖5：各種1200 V碳化硅MOSFET技術在800 V，15 A和150°C時可獲得的最小導通開關損耗。被測器件的標稱通態(tài)電阻為60-80mΩ，并且在柵極上以18/0 V和4.7Ω工作。為了進行比較，還以18 / -5 V的驅動電壓顯示了CoolSiC MOSFET的開關損耗。
如圖3所示，由電容性導通引起的直通電流和體二極管的反向恢復電流很難區(qū)分。兩種效應都會減慢或平滑電壓瞬變，并不僅在二極管上而且在開關上引起開關能量的增加。在要求最高開關速度的應用中，寄生導通會限制性能，類似于不適當?shù)睦m(xù)流二極管。
圖5顯示了在柵極上以18/0 V工作的各種碳化硅MOSFET技術的最小可實現(xiàn)的導通開關損耗。雖然并非所有器件都能在這種驅動條件下保持其高速開關特性，但結果證實了CoolSiC MOSFET具有很高的抗寄生導通能力。
本文介紹了一種簡單的方法，用于表征功率半導體開關通過Miller電容對寄生導通的敏感性。使用在800 V總線電壓和50 V / ns開關速度下工作的分立CoolSiC MOSFET所獲得的測試結果表明，即使在高速兩電平轉換器中，0 V的關斷柵極電壓也是可行的。當查看開關電壓僅為總線電壓一半的三電平電路時，情況將完全緩解。在這種情況下，無論柵極電阻值如何，CoolSiC MOSFET實際上都沒有電容性導通。
假設精心設計的PCB布局具有最小的柵極-漏極電容，英飛凌鼓勵電力電子工程師以0 V的關斷柵極電壓運行分立的CoolSiC MOSFET。這可以簡化柵極驅動設計，而不會降低性能。
Klaus Sobe是Infineon Technologies Austria AG的應用工程師。奧地利Infineon Technologies AG是Infineon Technologies AG的集團子公司。能源效率，移動性和安全性是英飛凌通過其半導體和系統(tǒng)解決方案應對的全球主要挑戰(zhàn)。無論是在汽車中，在智能手機中，在工業(yè)電子產品中，還是在借記卡和ID卡中-英飛凌奧地利公司的專有技術在許多日常應用中都可以找到。
