SiC MOSFET驅(qū)動電壓測試結(jié)果離譜的六大原因

  開關(guān)特性是功率半導(dǎo)體開關(guān)器件最重要的特性之一，由器件在開關(guān)過程中的驅(qū)動電壓、端電壓、端電流表示。一般在進行器件評估時可以采用雙脈沖測試，而在電路設(shè)計時直接測量在運行中的變換器上的器件波形，為了得到正確的結(jié)論，獲得精準(zhǔn)的開關(guān)過程波形至關(guān)重要。

  SiC MOSFET 相較于 Si MOS 和 IGBT 能夠顯著提高變換器的效率和功率密度，同時還能夠降低系統(tǒng)成本，受到廣大電源工程師的青睞，越來越多的功率變換器采用基于 SiC MOSFET 的方案。SiC MOSFET 與 Si 開關(guān)器件的一個重要區(qū)別是它們的柵極耐壓能力不同，Si 開關(guān)器件柵極耐壓能力一般都能夠達到 ±30V，而 SiC MOSFET 柵 極 正 壓 耐 壓 能力 一 般 在 +20V 至+25V，負壓耐壓能力一般僅有 -3V 至 -10V。同時，SiC MOSFET 開關(guān)速度快，開關(guān)過程中柵極電壓更容易發(fā)生震蕩，如果震蕩超過其柵極耐壓能力，則有可能導(dǎo)致器件柵極可靠性退化或直接損壞。

  很多電源工程師剛剛接觸 SiC MOSFET 不久，往往會在驅(qū)動電壓測量上遇到問題，即測得的驅(qū)動電壓震蕩幅值較大、存在與理論不相符的尖峰，導(dǎo)致搞不清楚是器件的問題還是電路設(shè)計的問題，進而耽誤開發(fā)進度。

  接下來我們將向您介紹 6 種由于測試問題而導(dǎo)致的驅(qū)動電壓離譜的原因。

  原因 1：高壓差分探頭衰減倍數(shù)過大

  高壓差分探頭的為差分輸入且輸入阻抗高，在電源開發(fā)過程中一般都會選擇它來測量驅(qū)動波形。有時在使用高壓差分探頭時獲得的驅(qū)動波形顯得非常粗，這往往是由于高壓差分探頭的衰減倍數(shù)過大導(dǎo)致的。衰減倍數(shù)大，高壓差分探頭的量程就大，使得分辨率大幅下降，同時示波器在還原信號時還會將噪聲放大。此時就需要選擇衰減倍數(shù)較小的高壓差分探頭或選擇高壓差分探頭衰減比較小的檔位。我們使用圖 1 中的高壓差分探頭測量驅(qū)動電壓，衰減倍數(shù)分別選擇 50 倍和 500 倍，在下圖中可以明顯到 500倍衰減倍數(shù)下驅(qū)動波形非常粗。

圖 1. 示意圖為泰克高壓差分探頭

圖 2. 50 倍與 500 倍衰減波形對比

  原因 2：高壓差分探頭測量線未雙絞

  高壓差分探頭一般用于測量高壓信號，為了使用安全及方便接線，其前端是兩根接近 20cm的測量線。在進行測量時，可以將兩根測量線看作為一個天線，會接收外界的磁場信號。而SiC MOSFET 的開關(guān)速度快，開關(guān)過程電流變化速率大，其產(chǎn)生的磁場穿過由高壓差分探頭測量線形成的天線時就會影響測量結(jié)果。為了降低這一影響，可以將高壓差分探頭的兩根測量線進行雙絞，盡量減小它們圍成的面積。從圖 4 中可以看到，在將測量線未雙絞進行雙絞后，驅(qū)動電壓波形的震蕩幅度明顯降低了。

圖 3. 差分探頭是否雙絞

圖 4. 是否雙絞的波形對比

  原因 3：無源探頭未進行阻抗匹配

  無源探頭衰減倍數(shù)小、帶寬高，往往可以在雙脈沖測試時用來獲得更為精準(zhǔn)的驅(qū)動電壓波形。無源探頭的等效電路如下所示，只有當(dāng)其與示波器達到阻抗匹配時才能獲得正確的波形。一般情況下，我們可以通過旋轉(zhuǎn)無源探頭尾部的旋鈕調(diào)節(jié)電容來進行阻抗匹配調(diào)節(jié)，此外還有部分探頭能夠在示波器上完成自動補償。

  當(dāng)驅(qū)動電壓為 -4V/+15V 時，通過圖 8 可以看到，是否正確補償對測量結(jié)果有非常大的影響。當(dāng)探頭未進行阻抗匹配時，驅(qū)動波形振蕩幅度明顯變大，測量量值也更大，這將會導(dǎo)致對驅(qū)動電壓的誤判。當(dāng)探頭正確阻抗匹配時，驅(qū)動電壓振幅更小，測量值與實際外加電壓一致。

  圖 6. 泰克無源探頭

  圖 7. 無源探頭等效示意圖

  圖 8. 阻抗匹配與未阻抗匹配波形對比

  原因 4：無源探頭未使用最小環(huán)路測量

  無源探頭標(biāo)配的接地線有接近 10cm 長，采用這樣的接地線時，會出現(xiàn)同高壓差分探頭一樣，即測量線圍出一個很大的面積，成為一個天線，測量結(jié)果會受到 SiC MOSFET 開關(guān)過程中高速變化的電流的影響。同時，過長的接地線可以看做一個電感，也會導(dǎo)致震蕩的產(chǎn)生。

  為了降低這一影響，可以使用廠商標(biāo)配的彈簧接地針，其長度短、圍出的面積更小。從圖 10 中可以看到，使用標(biāo)配接地線時，驅(qū)動波形震蕩嚴(yán)重，其峰值最大達到 xxV，超過了 SiC MOSFET柵極耐壓能力;當(dāng)使用彈簧接地針后，波形震蕩大大減輕了，幅值均在 SiC MOSFET 柵極耐壓能力范圍內(nèi)。

圖 9. 示波器自帶長接地線、短彈簧地線

圖 10. 長接地線與短彈簧地線波形對比

  原因 5：探頭高頻共模抑制比不夠

  對于橋式電路中的上管 SiC MOSFET，其 S 極為橋臂中點，其電壓在電路工作時是跳變的。其跳變的幅度為電路的母線電壓，對于 1200V SiC MOSFET 而言，母線電壓為 800V;其跳變的速度為 SiC MOSFET 的開關(guān)速度，可達到 100V/ns。此時要測量上管的驅(qū)動電壓，就需要面對這樣高幅值、高速度跳變的共模電壓。

圖 11. 泰克光隔離探頭 ISOVu

  從圖 12 中可以看到，當(dāng)采用常見的高壓差分探頭時，驅(qū)動波形振蕩更大，在第一個脈沖內(nèi) Ton時間測量值偏低，在 Toff 時間內(nèi)存在偏置，在第二個脈沖上升沿存在嚴(yán)重的震蕩。這主要是由于高壓差分探頭在高頻下的共模抑制比不夠?qū)е碌?，此時我們就需要使用具有更高共模抑制比的光隔離探頭來測量上管驅(qū)動電壓波形。

  從圖 12 中可以看到，當(dāng)采用光隔離探頭后，波形震蕩明顯減小，第二脈沖上升沿的嚴(yán)重震蕩消失，在關(guān)斷時間內(nèi)電壓測量值與實際外加電壓接近。

圖 12. 光隔離探頭與高壓差分探頭波形對比

  原因 6：測量點離器件引腳根部過遠

  當(dāng)我們測量驅(qū)動電壓波形時，探頭并不能直接接觸 到 SiC MOSFET 芯 片， 而 只 是 能 接 到 器件的引腳上。可以將器件的引腳看作為電感，那么我們實際測得的驅(qū)動電壓為真實的柵 - 源極電壓和測量點之間引腳電感上壓降之和。那么，測量點之間引腳長度越長，測量結(jié)果與 SiC MOSFET芯片上真實的柵-源極電壓差異越大。

圖 13. 4pin 的圖片和等效示意圖

  為了降低這一影響，需要將探頭接到器件引腳的根部，最大限度得縮短測量點之間引腳的長度。從圖 14 中可以看到，當(dāng)測量點位于引腳根部時，開通驅(qū)動波形振蕩幅值及振蕩頻率明顯減少，關(guān)斷驅(qū)動波形振蕩幅值也明顯減少。

圖 14. 探頭接引腳根部與遠離根部

圖 15. 引腳根部與遠離根部波形對比

  了解泰克高差分探頭https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/probes/high-voltage-differential-probes；了解泰克光隔離探頭https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/probes/isovu-isolated-probes；泰克MSO5B示波器https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/ 5-series-mso。

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