来源： 发布时间：2023/12/18点击数：734
驱动电压尖峰复现与分析
【背景】高频、高速开关是碳化硅(SiC) MOSFET的重要优势之一，这能显著提升系统效率，但也会在寄生电感和电容上产生更大的振荡，从而让驱动电压产生更大的尖峰。
驱动电压尖峰会对系统有诸多不良影响。首先，驱动电压尖峰若超出SiC MOSFET的安全驱动电压范围，可能引发器件误开关，甚至损坏器件。其次，尖峰电压可能产生电磁干扰，影响系统EMC指标。最后，驱动电压尖峰带来的高频震荡还会导致电流波形不稳定，从而影响系统的性能和稳定。
因此，设计可靠的驱动电路来抑制的驱动电压尖峰，成为发挥SiC MOSFET优势特性的关键课题。为此，我们首先测试复现驱动尖峰波形并分析原因，然后采取相应措施来抑制尖峰。本篇主讲第一部分：驱动电压尖峰复现与分析。
双脉冲测试方法与设备
瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法，来复现SiC MOSFET的开关过程中驱动电压尖峰，以便分析原因和采取对策。在双脉冲测试电路中，Q1和Q2为瞻芯电子1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管Q2始终保持关断，上管Q1则进行开关动作。当上管Q1开通时电流路径为红色实线；当上管Q1关断时电流路径为红色虚线，如图1：
图1：双脉冲测试电路
以上测试中，通过开关上管Q1，来测试下管Q2因寄生电感和米勒效应产生的驱动电压尖峰，如下示意图2：
图2：双脉冲测试过程
为了消除PCB板的寄生参数对测试波形的影响，瞻芯电子针对2种封装：TO247-3和TO247-4，分别制作了2块双脉冲测试板，如下图3：
图3：双脉冲测试板
具体的测试设备配置，包括信号发生器、直流电源、负载电感、示波器以及高带宽的非隔离探头或光隔离探头，其中非隔离探头采用最小接地环，从而取得更准确的测试结果，如下图4：
图4：测试设备环境
驱动电压尖峰复现
1、用0V关断电压时的参考电路与波形
如果不采取抑制尖峰措施，则驱动电路如下图5：
图5：0V关断且不加钳位的驱动电路
图6：0V关断且不加钳位的驱动波形
2、用-3.5V关断电压时的参考电路与波形
图7：-3.5V关断且不加钳位的驱动电路
图7：-3.5V关断下管Q2时, 关断上管Q1
图8：-3.5V关断下管Q2时, 开通上管Q1
综合上述分析，串扰尖峰主要有2方面原因：
3、开盖测试SiC MOSFET驱动电压
图9：开盖测试点及测试板
图10：开盖测试点
图11：测试过程
图12：测试下管Q2芯片时，上管Q1开通
图13：上管Q1关闭时，给下管Q2芯片的驱动串扰波形
上管关断后，电感电流通过下管的体二极管续流，在下管的源极电感上产生“下正上负”的自感电动势，由于VG_LS测量的是引脚上的电压，因此VG_LS会下降，产生负尖峰。而VG_LS_K测的是管芯上的电压，自感电动势会对Cgs充电，让VG_LS_K抬升。因此会看到引脚与管芯上的电压呈现相反的尖峰波形。
图13：上管Q1关闭，给下管Q2芯片的驱动串扰尖峰分析
图14：上管Q1开通时，给下管Q2芯片的驱动串扰尖峰
图15：短引脚测试波形
图16：长引脚测试波形
如上图16，当用较长的源极引脚测试时，管芯真实驱动电压有更大的过冲和震荡，而且超过SiC MOSFET阈值电压(Vth)，导致下管Q2误开通和较大Vds震荡。
总结
1. 驱动串扰尖峰的主要原因有2点：
高dv/dt时的米勒电效应；
高di/dt在源极引脚寄生电感上产生的震荡。
2. SiC MOSFET管芯的真实驱动电压，与TO247-3引脚测到的驱动电压可能呈现相反的尖峰波形。
3. 若管脚测到超规格的驱动波形，可进一步确认管芯的真实驱动电压；
4. 若从长引脚测得较大Vds震荡，可能器件有误开通，甚至损坏器件。
5. 建议驱动路径尽量靠近器件引脚根部，规避长引脚的寄生电感。
