关断栅极电压欠冲对SiC MOSFET导通行为的影响

作者简介

文：Andreas Huerner¹, Paul Sochor¹, Qing Sun¹, Maximilian Feil², Rudolf Elpelt^1
1 英飞凌科技股份公司（德国埃尔朗根）
² 英飞凌科技股份公司（德国纽伦堡）

通讯作者：Andreas Huerner, andreas.huerner@ infineon.com

摘 要

本文探讨了关断时发生的栅极电压欠冲对导通开关特性的影响。这种影响来自于阈值电压的迟滞效应，指栅偏压变化时，阈值电压的完全可恢复瞬态偏移。阈值电压的迟滞效应是由半导体-绝缘体界面缺陷中，电荷的短期俘获和释放引起的。因此，关断时的栅极电压欠冲会对碳化硅（SiC）MOSFET的开关特性产生影响。

我们在应用条件下，使用双脉冲测量进行研究。研究结果表明，关断栅极电压欠冲对阈值电压迟滞效应的影响与恒定的关断栅极电压相同，进而会对导通开关特性产生影响。然而，似乎只有在违背数据手册所定义的最小瞬态电压的边界条件时，这种影响才有意义。

1 引言

在现代电力电子系统中使用SiC MOSFET，需要电路开发人员处理硅基功率器件闻所未闻的器件特性。阈值电压迟滞效应就是这样的特性之一。文献表明，这种由关断栅极电压所触发的效应，会大大影响SiC MOSFET的开通特性[2][4][9][10] [11]。例如，[2]证明了，虽然跨导不受影响，但导通过程中的阈值电压和米勒电压同时依赖于关断栅极电压。该试验还强调，虽然栅源电荷在导通期间几乎不受关断栅极电压的影响，但当关断栅极电压从-3V降低到-7V时，米勒电荷增加了大约5%。

这一分析在[4]所报告的研究结果中得到了证实。除了[2]，我们还可以通过[4]清楚地看出，利用这种效应，有助于降低开通时的能量损耗。关断栅极电压对SiC MOSFET的开通行为有很大影响。与具体使用的器件技术无关，因此必须在设计阶段就考虑到这一点[4]。

为此，从原则上来看，我们之前报告的[2]研究十分简洁明了，并对该效应进行了深入的理论性描述，因此，可以供电路设计人员使用。但是，该分析只讨论了恒定关断栅极电压的影响，并没有涵盖更快的动态变化，例如，栅极电压欠冲。

因此，在本研究中，我们将重点关注，在阈值电压迟滞的背景下，栅极电压欠冲对SiC MOSFET开关特性的影响。

2 实验设置

本研究补充了[2]所报告的研究结果，[2]所讨论的双脉冲测量，是在240Ω的高外部栅极电阻下进行的，从而可以忽略电路中寄生元件的影响。其测量结果可以直接追溯到SiC MOSFET芯片技术的物理特性。然而，由于开关速度低，不能立即得出其与类似应用条件的相关性。

本研究对此进行了补充，我们在典型应用条件下（VDD=800V，ID=20A，T=25℃），使用采用TO247-4封装的1200V SiC MOSFET进行了双脉冲测量（见图2）。

SiC MOSFET的开关特性（特别是在高开关速度下）很大程度上取决于测量电路的寄生元件及其封装。因此，在这项研究中，有必要减少所测电路的寄生影响。否则，这些影响可能会对SiC MOSFET电气行为产生误导性的解释。因此，我们使用了杂散电感为6.5nH的低电感设置。

图1为测量设置的等效电路图，图2为测量设置图。

图1：双脉冲设置的等效电路图

与传统的高电感设置相比，这种低电感设置不采用母线轨，而是采用低ESL直流母线陶瓷电容器。

图2：具有可调杂散电感的定制双脉冲设置

如前所述，除了测量电路之外，快速开关SiC MOSFET的开关特性也在很大程度上受到封装的影响。因此，本研究使用了TO247-4引线封装（见图3）。该封装带有一个辅助源极引脚和一根杂散电感约为4.5nH的源极键合线。

图3：采用TO247-4封装的1200V SiC MOSFET

3 结果与讨论

本节的第一部分说明了应用中的栅极电压欠冲的含义和来源；第二部分解释了电路设计人员该如何评估栅极电压欠冲是否会影响SiC-MOSFET的开关特性；在最后一节，探讨了栅极电压欠冲对开关能量损耗以及器件热行为的影响。

3.1 栅极电压特性

图4清楚地显示了，外部栅极电阻分别为1Ω和10.1Ω时，关断测量脉冲期间，栅极电压随时间的变化。驱动器的关断栅极电压被设为-5V。

图4：关断测量脉冲期间，栅极电压随时间的变化（T =25°C）

外部栅极电阻为10.1Ω时，被测器件的栅极电压没有明显的欠冲；相比之下，外部栅极电阻为1Ω时，被测器件的最小观测栅极电压约为-10.5V，持续时间为几纳秒。

在不同的外部栅极电阻下，重复这些测量，并确定测得的最小关断栅极电压。

图5所示的结果表明，最小栅极电压在很大程度上受到外部栅极电阻的影响，并且栅极电压欠冲可低于静态关断电压5V。

图5：关断测量脉冲期间，栅极电压与RG,ext的关系

这意味着SiC MOSFET被施加的最小关断栅极电压不仅与驱动电压有关，还取决于关断期间栅极电压的额外欠冲。

该栅极电压欠冲的幅度可以根据等式（1）计算：



在等式（1）中