SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓、端電壓、端電流表示。一般在進(jìn)行器件評估時(shí)可以采用雙脈沖測試，而在電路設(shè)計(jì)時(shí)直接測量在運(yùn)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(shí)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(gè)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(dá)到 ±30V，而 SiC MOSFET 柵 極 正 壓 耐 壓 能力 一 般 在 +20V 至+25V，負(fù)壓耐壓能力一般僅有 -3V 至 -10V。同時(shí)，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(dòng)電壓測量上遇到問題，即測得的驅(qū)動(dòng)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(jì)的問題，進(jìn)而耽誤開發(fā)進(jìn)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(dòng)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(dòng)波形。有時(shí)在使用高壓差分探頭時(shí)獲得的驅(qū)動(dòng)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(shí)示波器在還原信號時(shí)還會將噪聲放大。此時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行測量時(shí)，可以將兩根測量線看作為一個(gè)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(shí)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(jìn)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(jìn)行雙絞后，驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(shí)用來獲得更為精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)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(dá)到阻抗匹配時(shí)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(jìn)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(dòng)補(bǔ)償。

  當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為 -4V/+15V 時(shí)，通過圖 8 可以看到，是否正確補(bǔ)償對測量結(jié)果有非常大的影響。當(dāng)探頭未進(jìn)行阻抗匹配時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓的誤判。當(dāng)探頭正確阻抗匹配時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓振幅更小，測量值與實(shí)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(shí)，會出現(xiàn)同高壓差分探頭一樣，即測量線圍出一個(gè)很大的面積，成為一個(gè)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(shí)，過長的接地線可以看做一個(gè)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(shí)，驅(qū)動(dòng)波形震蕩嚴(yán)重，其峰值最大達(dá)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(diǎn)，其電壓在電路工作時(shí)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(dá)到 100V/ns。此時(shí)要測量上管的驅(qū)動(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)波形振蕩更大，在第一個(gè)脈沖內(nèi) Ton時(shí)間測量值偏低，在 Toff 時(shí)間內(nèi)存在偏置，在第二個(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)間內(nèi)電壓測量值與實(shí)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(diǎn)離器件引腳根部過遠(yuǎn)

  當(dāng)我們測量驅(qū)動(dòng)電壓波形時(shí)，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?？梢詫⑵骷囊_看作為電感，那么我們實(shí)際測得的驅(qū)動(dòng)電壓為真實(shí)的柵 - 源極電壓和測量點(diǎn)之間引腳電感上壓降之和。那么，測量點(diǎn)之間引腳長度越長，測量結(jié)果與 SiC MOSFET芯片上真實(shí)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(diǎn)之間引腳的長度。從圖 14 中可以看到，當(dāng)測量點(diǎn)位于引腳根部時(shí)，開通驅(qū)動(dòng)波形振蕩幅值及振蕩頻率明顯減少，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)波形振蕩幅值也明顯減少。

圖 14. 探頭接引腳根部與遠(yuǎn)離根部

圖 15. 引腳根部與遠(yuǎn)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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