摘 要

針對SiC MOSFET模塊應(yīng)用過程中出現(xiàn)的串擾問題，文章首先對3種測量差分探頭的參數(shù)和測 量波形進行對比，有效減小測量誤差；然后詳細分析串擾引起模塊柵源極出現(xiàn)電壓正向抬升和負向峰值過大 的原因，并提出3種有效應(yīng)用對策：減小柵極阻抗、采用有源米勒箝位和三級關(guān)斷串擾抑制電路。其中，減小柵極阻抗可減小感應(yīng)壓降，抑制柵源極過壓；有源米勒箝位技術(shù)使柵源極電壓串擾波形幅值限制在箝位電 壓范圍；利用三級關(guān)斷串擾抑制電路技術(shù)，顯著抑制了柵源極電壓的正向抬升和負向峰值，最后通過試驗仿 真驗證了3種方法的有效性。

0? 引言

Si(Silicon)基IGBT(Insulated Gate Bipolar Tran‐ sistor)是由雙極型三極管(Bipolar Junction Transistor， BJT和絕緣柵型場效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconduc‐ tor，MOS)組成的復(fù)合全控型器件，綜合了兩種器件 的優(yōu)點，并采用電壓控制器件開關(guān)，驅(qū)動功率小且飽和壓降低，適用于軌道交通、電網(wǎng)、汽車和新能源等 變流領(lǐng)域。相比較于Si材料，SiC(Silicon Carbide)具 有更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿場強和電子飽和 漂移速度等諸多優(yōu)點，應(yīng)用在單極型模塊SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)中可使其開關(guān)損耗更低，在高溫、大功率和高頻率的嚴 苛條件下也能正常工作?。?

SiC MOSFET模塊目前廣泛運用于新能源汽車逆變器、車載充電、光伏、風電、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，展示了新技術(shù)的優(yōu)良特性。但 SiC MOSFET 模塊的高頻化和高開關(guān)速度，引發(fā)了新的應(yīng)用問題，即串擾問題， 對SiC MOSFET模塊應(yīng)用造成影響，嚴重時會導(dǎo)致SiC ?MOSFET模塊無法正常工作。?

串擾問題是指在半橋電路中，SiC MOSFET模塊開關(guān)動作引起另一個 SiC MOSFET 模塊開關(guān)的柵源極電壓波動的問題，分為正向串擾和負向串擾。以1200 V/ 600 A SiC MOSFET為例，柵極開通控制電壓為+15 V， 柵極關(guān)斷電壓為-5 V。當半橋電路發(fā)生正向串擾時， 上橋臂SiC MOSFET（以下簡稱“上管”）的柵極電壓 由-5 V升高至+15 V，上管開通過程會引起下橋臂SiC ?MOSFET （以下簡稱“下管”） 的柵極電壓從-5 V向 0 V方向升高，即正向抬升，若正向抬升超過下管柵極閾值將導(dǎo)致誤開通，造成上下管短路。當發(fā)生負向串擾時，上管柵極由+15 V降低為-5 V，上管關(guān)斷過程則 引起下管柵極電壓從-5 V向更低負壓方向變化，即負向增大，若負向增大超過下管柵極負壓耐受極限將會 導(dǎo)致柵極擊穿，從而造成器件失效。?

現(xiàn)有學者對 SiC MOSFET 模塊的串擾 問題已做了大量研究。串擾的發(fā)生與應(yīng)用電路、驅(qū)動 技術(shù)和 SiC MOSFET 型號等都有關(guān)聯(lián)，對應(yīng)不同的應(yīng)用場景和SiC MOSFET型號，會出現(xiàn)不同程度的串擾。本文選取1200 V/600 A SiC MOSFET 為研究對象，針對串擾問題提出3種應(yīng)對策略：串擾影響程度較輕時， 通過減少柵極阻抗的方式抑制串擾，該方法簡單且成 本低；當串擾影響程度較嚴重時，如減少柵極阻抗未 能有效抑制串擾問題，可采用有源米勒箝位（AMC）技術(shù)，限制柵源極電壓串擾波形幅值；在串擾特別嚴重工況下，上述兩種方法有可能失效，則可增加?xùn)旁?電壓模擬檢測電路，結(jié)合三級關(guān)斷驅(qū)動技術(shù)應(yīng)對串擾問題。

1 原理分析

1.1 測量探頭對比分析?

串擾現(xiàn)象客觀存在，而測量誤差會對串擾問題研 究造成嚴重的干擾影響。為保證測量電路參數(shù)波形的 準確性，本文對測量使用的差分探頭進行分析，通過 對比實測數(shù)據(jù)，有效減小測量誤差。?

半橋電路中SiC MOSFET模塊的漏源極電壓Vds和 柵源極電壓Vgs均采用高壓差分探頭測量，被測信號 經(jīng)過差分信號端電感、衰減器、緩沖器、差分放大器 和無損傳輸線等環(huán)節(jié)，連接到示波器，如圖 1 所示。SiC MOSFET模塊在高頻高壓下工作時，測試電壓探頭 需考慮帶寬、共模抑制比等參數(shù)。探頭帶寬是指探頭 測量輸出波形幅值下降到被測波形正弦波幅值 70.7% （-3 dB=20 lg 0.707） 的頻率，即當被測正弦波的頻率 等于示波器帶寬時，幅值測量誤差大約為 30%。對于 漏源極電壓Vds和柵源極電壓Vgs，30%測量誤差過大無 法準確分析串擾問題。因此，探頭帶寬需遠大于被測 波形的頻率，帶寬越大，則能測到更寬的高頻諧波， 越接近真實波形。同時差分探頭線選擇較短的雙絞線、 使線路等效電感L1+和L1-盡量小。

共模抑制比Kcmrr是指差分探頭在測量中抑制兩個 測試點共模信號的能力。共模信號即對地干擾信號， 因此探頭的差分放大電路抑制共模信號的能力越強， 測量波形越接近真實值，其公式為 Kcmrr?= | Ad?Ac?|，其 中Ad為差分信號的電壓增益，Ac為共模信號的電壓增 益。Ad值越大說明差分信號增益越大，共模信號相對 越小，測量值越接近真實波形。?

數(shù)字示波器組成如圖 2 所示，進入示波器的信 號，經(jīng)過信號調(diào)理電路、采集控制電路和信號處理等 環(huán)節(jié)，最后顯示為波形。測試高頻高壓下的信號，需 考慮示波器的帶寬、采樣率、存儲深度等參數(shù)影響。與差分探頭一樣，示波器帶寬不夠，也無法捕獲準確 的電壓波形。示波器將采集到的波形存儲到內(nèi)存區(qū)進行計算和處理，內(nèi)存區(qū)容量即存儲深度為固定值。示 波器每幀波形的時間長度是人為調(diào)節(jié)設(shè)定的，當時間 長度設(shè)定后，采樣率為存儲深度與時間長度的比值。測量 SiC MOSFET 模塊瞬態(tài)高頻高壓信號時，采樣率 盡可能高才能確保測試準確，因此，每幀波形的時間 長度不能設(shè)定太大，存儲深度過小都會導(dǎo)致采樣率降低，引起較大測量誤差。

常用的3種探頭有：高壓差分探頭P5200A，高壓 差分探頭BUMBLEBEE-PS02和光隔探頭，對3種探頭 的參數(shù)進行對比分析，如表1所示。由表1可知，光隔 探頭 TIVP1 的帶寬和共模抑制比參數(shù)性能遠大于高壓 差分探頭P5200A和BUMBLEBEE-PS02。

為了對比 3 種探頭的測試效果，搭配 Tek MSO58 示波器測試 SiC MOSFET 模塊串擾波形。Tek MSO58 示波器的帶寬為2 GHz，存儲深度為125 M，采樣率為 6.25 GS/s，每幀波形的時間長度為20 ms。3種探頭測 量 SiC MOSFET 模塊的柵源極電壓 Vgs波形對比如圖 3所示。圖3(a)為串擾開通過程，模塊內(nèi)測試管的漏源極 電壓 Vds 從 800 V 下降至 0 V，測試管漏源極電流 Ids 從 0 A逐漸上升到最大值；圖3(b)為串擾關(guān)斷過程。由圖 3可知，采用光隔探頭TIVP1測量的柵源極電壓Vgs波 形抗干擾性強，采樣精度高，遠優(yōu)于其他兩種探頭。因此精準測量 SiC MOSFET 模塊串擾波形推薦光隔探 頭TIVP1。?

1.2　串擾產(chǎn)生機制?

典型逆變電路如圖4所示，它有3組半橋電路，每 個半橋電路由上橋臂和下橋臂組成。上、下橋臂的SiC ?MOSFET模塊不能同時開通，必須為互補的高速開關(guān) 切換狀態(tài)，每秒鐘將完成上萬次或更高次開關(guān)動作， 這會造成模塊的漏極和源極之間產(chǎn)生較大 dVds?/dt，將 導(dǎo)致模塊柵極和源極間的電壓具有較大的尖峰。

SiC MOSFET模塊的開通過程如圖5所示，對其柵 源極電壓的正向抬升進行分析。當上橋臂模塊開通時， 推挽開關(guān)Q1L斷開，推挽開關(guān)Q2L閉合，下橋臂模塊 的二極管進行反向恢復(fù)動作，漏源間電壓Vds逐步開始 增加，dVds?dt大于0。反向傳輸電容 （也稱米勒電容） Cgd上的位移電流Ig從漏極經(jīng)柵極注入到門極電路。Lg 為柵極引線雜感，位移電流Ig流過Lg后，由楞次定律可知，產(chǎn)生左負右正的感應(yīng)電動勢VLg，此時柵源間電 壓為

式中：VR2為電阻R2上的電壓；-V2是驅(qū)動負電源。因此，當上橋臂模塊開通時，會導(dǎo)致下橋臂模塊 柵源極電壓Vgs在-V2的基礎(chǔ)上正向抬升VLg?+ VR2。

SiC MOSFET模塊的關(guān)斷過程如圖6所示，同樣對 其柵源極電壓的負向增大現(xiàn)象進行分析。當上橋臂模 塊關(guān)斷時，Q1L 斷開，Q2L 閉合，下橋臂模塊的二極 管進行正向續(xù)流動作，漏源間電壓 Vds 開始下降， dVds dt小于0。反向傳輸電容Cgd上的位移電流則從柵 極到漏極。位移電流 Ig 流過 Lg后，由楞次定律可知， 產(chǎn)生左正右負的感應(yīng)電動勢VLg，此時柵源間電壓Vgs = -V2 -(VLg + VR2 )。因此，當上橋臂模塊關(guān)斷時，下橋臂 模塊的柵源極電壓會在 -V2 的基礎(chǔ)上負向疊加增大 VLg?+ VR2。

傳統(tǒng)驅(qū)動電路的上橋臂Vds和Vgs波形如圖7所示。

由于 SiC MOSFET 模塊柵源極之間的正向閾值電 壓較低，正向電壓抬升易造成功率模塊誤導(dǎo)通，從而 使得上下橋臂直通，而直通電流將造成模塊短路損壞。另外，過大的電壓負向峰值使 SiC MOSFET 功率模塊 的門極柵氧層承受較大的電壓應(yīng)力，加速其退化，甚至損壞。?

2 應(yīng)對策略?

2.1 減小柵極阻抗?

從串擾產(chǎn)生機制可知，柵極引線阻抗和位移電流 是造成柵源極電壓正向抬升和負向增大的直接因素， 減小柵極引線阻抗和位移電流，則能抑制串擾引起的 柵源極電壓變化幅值。柵極引線阻抗包含驅(qū)動輸出電 路阻抗和 SiC MOSFET 模塊內(nèi)部柵極引線端子阻抗。由于減小 SiC MOSFET 模塊內(nèi)的柵極阻抗可能會引起 模塊開關(guān)速度變化，對模塊器件的開關(guān)動態(tài)損耗和過 電壓值有一定影響，通過調(diào)整柵極電容，可有效折中 電參數(shù)。因此重點在驅(qū)動電路的設(shè)計中考慮減小輸出 電路阻抗。本文對比分析了兩種MOSFET內(nèi)阻的驅(qū)動 集成電路 （Integrated Circuit，IC ） 串擾測試數(shù)據(jù)，如 圖8所示。第一種MOSFET內(nèi)阻為500 mΩ，對應(yīng)的驅(qū)動集成電路型號是NXP GD3100，圖中 Vgs 3100表示其 柵源極電壓；第二種 MOSFET 內(nèi)阻為 15 mΩ，對應(yīng)的 驅(qū)動集成電路型號是ROHM BM6104FV，圖中Vgs 6104 表示其柵源極電壓。由圖 8 可知，驅(qū)動集成電路 ROHM BM6104FV對應(yīng)的內(nèi)阻更小，相較于驅(qū)動電路 NXP GD3100受到的串擾影響也降低。?

2.2 采用有源米勒箝位AMC（active miller clamp）?

在逆變半橋電路中，由于米勒電容 Cgd?的存在， 串擾會引起柵源極電壓 Vgs?波動，而有源米勒箝位 AMC 技術(shù)可抑制柵源極電壓 Vgs?波動，有效防止 SiC MOSFET模塊橋臂直通。圖9為BM6104FV-C米勒 箝位功能示意圖，引腳VCC2為正電源，引腳OUT1H 為 驅(qū) 動 電 源 ， 引 腳 PROOUT 為 Vgs?檢 測 腳 ， 引 腳 VREG 為米勒箝位電源，引腳 VEE2 為負電源，引腳 OUT2 控制外部 MOS 開關(guān)。在 SiC MOSFET 模塊關(guān)斷 期間，此時驅(qū)動電源 OUT1H 為低電平，通過 PRO‐ OUT 端實時監(jiān)測柵源極電壓 Vgs，如 Vgs?小于保護閾值 2 V，則OUT2端輸出高電平，外部MOS開關(guān)將導(dǎo)通， 柵極電位箝位至 VEE2，柵源極形成低阻抗回路，米 勒電流通過 VEE2 被完全吸收，不會流經(jīng)柵極電阻形 成米勒電流泄放回路。在SiC MOSFET模塊導(dǎo)通期間， 此時驅(qū)動電源 OUT1H 為高電平，監(jiān)測到 Vgs?大于保護 閾值時，則外部MOS開關(guān)將斷開，避免電源短路。引 腳 VREG 和 VEE2 之間連接電容，能有效抑制柵源極電壓波動。

有源米勒AMC箝位波形如圖10所示，下管開通期 間串擾引起的上管柵源極電壓峰值 Vgs_peak=-2.2 V，遠 遠小于0 V；下管關(guān)斷期間串擾引起的上管柵源極電壓 峰值 Vgs_peak=-5.2 V，此時未出現(xiàn)大的負向峰值電壓。因此在開通和關(guān)斷情況下都起到了較好箝位效果。

2.3 采用三級關(guān)斷串擾抑制電路?

模塊門極關(guān)斷期間柵源極電壓Vgs為-4 V，串擾發(fā) 生時會引起Vgs抬升，若采用三級關(guān)斷串擾抑制電路檢 測柵源極電壓，當Vgs超過設(shè)定閾值，抑制電路可將Vgs?直接拉低到-4 V，抑制其正向抬升；當串擾引起過大 的電壓負向峰值時，三級關(guān)斷串擾抑制電路可將Vgs拉 升到0 V，抑制柵源極出現(xiàn)較大的電壓負向峰值，從而 保護柵極。圖11為抑制串擾驅(qū)動電路的上下橋臂Vds和Vgs工 作波形。Vgs?（上橋臂） 包含3種電平，+15 V，0 V和 -4 V。當Vgs（上橋臂）為+15 V時，SiC MOSFET模塊 為開通狀態(tài)；當 Vgs （上橋臂） 為 0 V 和-4 V 時，SiC ?MOSFET模塊為關(guān)斷狀態(tài)。為驗證上述方法的有效性， 搭建了三級關(guān)斷串擾抑制電路的PSPICE半橋斬波電路 模型，如圖12所示。

圖13為下橋臂SiC MOSFET Vgs和Vds的仿真波形。圖 13(a)為未增加串擾抑制電路時的相關(guān)波形，此時 SiC MOSFET柵源極電壓Vgs在關(guān)斷期間抬升約為+2 V， 可能會誤觸發(fā) SiC MOSFET 開通造成短路，而最大電 壓負向峰值約為-12 V，易損傷SiC MOSFET柵源極造 成器件失效。圖13(b)為模塊驅(qū)動電路增加了串擾抑制 措施時的相關(guān)波形，此時SiC MOSFET柵源極電壓Vgs?在關(guān)斷期間抬升電壓最大約為-4 V，基本沒有抬升，電壓最大負向峰值約為-8 V。可見，增加串擾抑制電 路后，柵源極電壓的負向電壓和正向抬升都明顯改善。?

3 結(jié)語?

針對 SiC MOSFET 模塊應(yīng)用中出現(xiàn)的串擾問題， 本文對測量使用的差分探頭進行了詳細對比，由結(jié)果 可知采用高帶寬和高采樣率的示波器和差分探頭可測 量得到準確的信號波形。同時分析了串擾問題的產(chǎn)生 機制，正dVds dt在反向傳輸電容上產(chǎn)生流向驅(qū)動側(cè)的 位移電流，在柵極阻抗引起正向感應(yīng)電壓，疊加在柵 源極上會引起柵源極電壓抬升；而負dVds dt在反向傳 輸電容上產(chǎn)生流向模塊側(cè)的位移電流，在柵極阻抗引 起負向感應(yīng)電壓，造成柵源極出現(xiàn)過大的電壓負向峰 值。為解決串擾問題，本文提出了3種有效應(yīng)用對策：①減小柵極引線阻抗，從而減小阻抗上的感應(yīng)壓降， 抑制柵源極過壓；②采用有源米勒箝位技術(shù)，泄放位 移電流，有效保護 SiC MOSFET 模塊；③通過三級關(guān) 斷串擾抑制技術(shù)改善柵極驅(qū)動波形，有效抑制過大的電壓正向抬升和負向電壓。

審核編輯：湯梓紅