碳化硅（SiC）技術為電源、電動汽車和充電、大功率工業設備、太陽能應用和數據中心等多個行業顯著提高了功率傳輸和管理性能。

由于 SiC 更高的額定電壓、更低的系統運行溫度、具備更高的電流處理能力以及更出色的恢復特性，能為多種應用將效率及功率密度最大化，同時盡可能降低成本；然而，若想要充分利用 SiC 技術的優勢，將此類元件和性能進行表征化就非常重要。

本文將詳細闡述 KIT-CRD-CIL12N-FMA 評估套件，特別是動態表征，以及為優化 SiC 功率模塊開關性能所需的工具。

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開展動態表征測試

為了測量 MOSFET 動態性能的四個指標（包括開關損耗、時間、過沖、開關速度），必須使器件工作，然后使用鉗位電感負載 (CIL) 測試系統進行高精度測量。

將 MOSFET 動態性能進行表征化的第一步是使用雙脈沖測試 (DPT) 測量器件的電壓和電流。通過測量這兩種波形，可以提取并分析所有的信息，包括損耗、時間、過沖以及開關速度/能量。圖 2 是半橋拓撲的典型設置方式，利用 WolfPACK 功率模塊以及在測試時獲取的一些關鍵波形及測量數據。根據波形示意圖可以看出，當低邊開關開通時，將會呈現典型的開通波形，顯示峰值電流/過沖，以及 di/dt 和 dV/dt 以及 Vds。電壓和電流的乘積為瞬時功率，結合來看，可以揭示從關斷狀態變化到開通狀態的開關能量損耗。

▲ 圖 2：半橋 DPT 配置，電壓/電流波形以及能量損耗

在表征過程中，一種不太常見的測試是二極管測試，其使用低邊開關的負載電感進行。這有助于在開關過程中將體二極管的性能進行表征化，同時展現反向恢復性能。

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系統 PCB 以及柵極驅動器布局的最佳實踐

另一個需要測量的重要方面則是加入柵極電阻后 MOSFET 性能的變化，其會改變電壓和電流（dv/dt 以及 di/dt）的變換速率，并增加開關損耗。對于多個 MOSFET 并聯的情況，建議每個 MOSFET 柵極配置 1 Ω 到 10 Ω 的柵極電阻（Rg），這有助于減少開關過程中的振蕩，并避免 MOSFET 超出其最大額定電壓。

SiC 器件的實際布局對過沖有顯著影響，這是由于寄生電感結合 di/dt 會產生感應電壓（會疊加在母線電壓上）。由于 SiC 能夠實現更迅速的開關速率，其過沖要比硅 (Si) 高得多。所以，務必要遵循最佳布局實踐，盡可能降低任何額外的電感。例如，直流匯流排應包含層壓銅平面，而每個模塊和電容器之間的電感應相等。同時還應具有較大的表面積，幫助散熱，以及具備較厚的走線，盡可能減少自身電感。同時也應使平面重疊，以加強磁通相抵效果，如圖 3 所示。

在高壓線與匯流排連接的 PCB 上的額外層有利于提高去耦和磁通相抵效果，而直流母線電容和壓接引腳之間具備相等的電感/跡線長度同樣也很重要。WolfPACK 模塊的輸出部分具備較寬的平面，可提供最大的電流載流量，這也是十分重要的。此外，不得將模塊的輸入和輸出部分重疊，這會增加電容并使損耗變大。

▲ 圖 3：采用良好布局的 WolfPACK 功率模塊（左側的藍色為輸入平面/PCB，右側的紫色為輸出平面/PCB）

柵極驅動器主要有兩種配置方式。第一種是單極性，在“關斷”狀態下，功率 MOSFET 在不存在負偏壓的情況下保持關斷。第二種是雙極性，其中存在兩個電源，一個電源具有負電壓，在“關斷”狀態下保持設備關閉，并能提高整體可靠性。圖 4 示出了單極和雙極柵極驅動器在“開通”狀態下的對比圖。

▲ 圖 4：“開通”狀態下的單極（左側）和雙極（右側）柵極驅動概念

對于單極性配置，建議為開爾文源極平面（MOSFET 的信號源極）配置成較大、較厚并位于所有元件的正下方，且包含多個連接至驅動器 IC 旁路電容和功率端子的通孔（最大化電流載流量）。同時，為每一 MOSFET 設置不同的柵極電阻能夠帶來可調整性和不同的開/關速度等優勢。對于雙極驅動器來說，可能需要額外的一套電容器來提供額外的負電源。將高頻回路最小化是獲得最小電感、最大峰值電流、最低開關損耗以及最佳性能的關鍵。圖 5 示出了單極性和雙極性配置的最佳布局。

▲ 圖 5：單極性（左側）和雙極性（右側）

柵極驅動器配置的理想布局

** #3 **

如何測量寄生電感并將其表征化

由于電感極低（通常低于 10 nH），因此測量 SiC MOSFET 模塊的寄生電感可能非常困難。Keysight E4990A 阻抗分析儀是一款出色的工具，能夠測量一系列頻率（10 kHz 到 120 MHz）下的電感。為了與模塊設備連接，需要 Keysight 特定探針中的一支，或者定制化、牢固的 PCB 設備（不含焊線/線纜/夾具），以確保最高水平的準確度。

將 Wolfspeed 的 62 mm WolfPACK 模塊以及三款使用相同設置的競品進行了寄生電感比較，發現 Wolfspeed CAB530M12BM3 功率模塊的寄生電感（為 11.2 nH）顯著低于競爭對手（在 15.8 - 19.2 nH 之間）。GM3 WolfPACK 200 A 模塊的寄生電感有些難以測量，但當移除所有器件 (MOSFET)，留下焊線和引腳（見圖 6）時，便可以準確計算整體的雜散電感。GM3 在 10 MHz 運行條件下的原始測量值（含 MOSFET）為 15.8 nH，而補償電感（僅基板）在 10 MHz 運行條件下的測量值為 8.7 nH。用原始測量值減去補償測量值會得出功率模塊的整體雜散電感，為 7.1 nH。這表明，對設備和探針進行補償非常重要，因為在使用阻抗分析儀時，它們會顯著增加電感數值。

▲ 圖 6：移除器件，留下針腳的 GM3 基板

在優化 SiC 系統時，必須考慮整體系統電感，不能僅考慮功率模塊或電容。XM3 便是一個良好的示例。其具有 7 nH 的低電感，同時也能為母線與匯流排連接設計實現更低的電感 (6 nH)。那么整體雜散電感為 13 nH，對系統整體來說頗有益處，能夠顯著減少開關過程中的過沖。

** #4 **

測量器件電流和電壓

要想測量器件電流并得到準確的結果，這很大程度上取決于探針的品質。當處于較高頻率時，某些探針性能更為出色，與質量欠佳的探針相比，其捕捉的損耗和能測量的不穩定特性更準確。例如，在比較 T&M Research SSDN-005 探針和 Rogowski 線圈時 (PEM CWTUM/3/B)，可以觀察到電阻器探針在 30 MHz 開關頻率（圖 7）以上探測到的振鈴更為明顯。圖片顯示 Rogowski 線圈感應到的開關能量有誤（低了 20%）。在為 MOSFET 的開關性能進行表征化，并了解哪個頻率范圍會引入比預期更多的能量損耗時，這非常重要。

▲ 圖 7：兩種探針測量 MOSFET 源極電流（左側）和開關能量（右側）的結果比較

如圖 8 所示，在測量 VDS 時，接地非常重要。可以使用兩種探針進行測量：單端和差分。當使用單端探針時，要參考您的系統，避免存在多個接地點。如果直接測量 VDS，而不考慮 CVR，會導致結果異常，這是因為示波器有多個參考點。如果 復位CVR ，其參考點與 VDS 測量的參考點一致（提供反相信號，可以通過示波器調整），那么結果便會得到改進。

差分探針是另一種出色的選項。進行低邊測量時，其表現良好，進行高邊測量時，其準確度欠佳，共模抑制比較高。Tektronix TPP0850 是良好的單端探針，而 Tektronix THDP0200 是一款出色的差分探針，額定 200 MHz，1500 V。

▲ 圖 8：VDS 探針測量低邊 MOSFET（含 CVR 元件）的設置

對于柵極-源極電壓 (VGS)，在比較光隔離探針和標準差分探針后，差分探針能探測到的振鈴更多（見圖 9）。當設計人員認為測量到的振鈴確實存在于系統之中，這能夠警告設計人員，這實際上僅是差分探針的一種測量固有數值。錯誤信息是由于差分探針的低共模瞬變抗擾度 (CMTI) 與較高的 dV/dt 相遇而造成的。推薦 Tektronix IsoVu TIVH05 作為光隔離探針的理想之選。

▲ 圖 9：光隔離探針和差分探針的 VGS 測量比較

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后期處理和分析

在對多種元器件和配置進行測量之后，在分析和比較結果時，還需要考慮很多因素。建議對不同配置的開關動態特性進行定性評估，以找到適合于該應用的最佳配置。從測試方面來看，可能會多次重復這種流程，但當重疊波形時，便能夠得出最佳配置。

在專門研究柵極驅動拓撲時，圖 10 示出了 MOSFET 開通過程中從 1 Ω 到 10 Ω 的外部柵極電阻、低/高邊柵極電壓、電流以及雙極性/單極性和米勒/非米勒設計的多個測試示例。從圖表中我們可以看出，針對于該示例，較低的柵極電阻能夠帶來更快的開關頻率，但其較為激進，可能會造成性能不穩定（至少在沒有米勒鉗位的情況下）。隨著柵極電阻增加，開關頻率變慢，米勒鉗位的優勢更為明顯。

▲ 圖 10：MOSFET 開通情況下多種測試情形的重疊圖

該開通過程包含非常激進的開關表現，包含 150?C 的虛擬結溫以及 100 A IDS，使得設計人員需要選擇較慢的開關速度和較高的柵極電阻來確保設計的穩定性。在關斷過程中，數據則明顯不同，在較低的柵極電阻下其表現不像開通過程中大幅變化如果可以接受采用 1 Ω 來進行關斷 MOSFET，那么可以通過相應地調整兩個柵極電阻，該設計的開關速度（最小化關斷延時）和可靠性（更低的過沖和振鈴）將得以優化。使用相同的一套圖表還可以分析體二極管的反向恢復性能。

當進一步結合電壓和電流波形時，設計人員可以直觀地看到開關能量的表現，并比較所有情況下的開通/關斷能量（見圖 11）。在觀察這些圖表之后得出的一個關鍵結論是，采用帶米勒鉗位的雙極性柵極驅動器 (15 V / - 4 V) 能夠帶來最佳的穩定性（不存在自開通、減少直通風險）和開關損耗。

▲ 圖 11：多種配置的開關能量圖表

在進行測試和后期處理時，務必查看 MOSFET 在整個結溫范圍內的表現。在室溫下 （25?C），較低的柵極電阻可能能夠的滿足應用需求，同時最大化開關速度。然而，當溫度較高時，開關特性和反向恢復特性可能會發生劇烈的變化，導致損耗和不穩定性增加，使得 MOSFET 處于不安全的運行環境中。可采用加熱板（或類似方法）進行高溫測試，以模擬在正常運行條件下的實際溫度。

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結論

考慮多種拓撲以及開關條件是非常重要的，還需要采用合適的設備才能準確地對設計進行建模。通過一系列測試方法得出四個關鍵指標（開關損耗、時間、過沖以及開關速度）后，便能夠選擇理想的配置方式，并進行設計優化，從而充分利用 SiC 的出色特性。