隨著寬禁帶半導體這幾年的發展，在越來越多的應用領域可以看到他們的身影，混跡風光儲的我最近也開始遇到過一些case，一些認知可以用從小熟知的一句話來概括，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行！”今天想跟大家聊一聊關于碳化硅雙脈沖測試中遇到的串擾問題。

碳化硅具有更快的切換速度（更短的切換時間），較低的損耗，更高的開關頻率，更高的耐壓能力以及更好的溫度特性，相應地帶來效率的替身，系統磁性元器件減小，功率密度的提升等優勢。相對于傳統硅基，碳化硅給我們的最直觀印象可以認為是它的快，而更高速的情況下，寄生參數帶來的影響相比于硅似乎更加嚴重，這也是為什么串擾（也被叫做Crosstalk）在碳化硅應用中經常被提到的原因。

在傳統硅基的IGBT應用中我們經常會討論到米勒效應導致的誤導通的問題，但很少會提及負向的米勒效應（當然串擾不僅僅包含米勒效應導致的壓降），因為就硅基而言，規格書中給到的門極電壓額定值一般都是±20V，負壓串擾對于門極的可靠性不會形成太大的挑戰。而碳化硅，門極的額定電壓并不像硅基那樣“充裕”，下面是一些常見碳化硅芯片供應商門極電壓的匯總，

我們可以看到，碳化硅的額定負壓并不像硅基那樣充足，負壓串擾如果超過額定值，對于門極可靠性形成巨大的挑戰，但由于正向串擾誤導通的預防又要求我們最好選取負壓關斷電壓，所以如何選取負門極驅動電壓其實又需要我們的權衡。

SiC串擾

上面我們提到，串擾問題在硅和碳化硅的應用中都會存在，但由于碳化硅的高速快關（高dv/dt和高di/dt），導致串擾問題更加的尖銳。

串擾主要是在主動開關接通和關閉過渡期間，對關閉狀態的門極電壓引起的干擾。如果正向串擾電壓超過閾值電壓Vth,將導致部分開通；如果負串擾電壓超過門極負額定電壓，將造成門極過應力。下面我們基于半橋拓撲簡單闡述下這個過程：

下圖為Q1開通和關斷一個周期內的電壓電流波形示意圖，

01

正向串擾

[t0~t1]

Q1開始開通，但門極電壓未達到閾值電壓，溝道還是處于關閉狀態

[t1~t2]

當Q1的門極電壓達到閾值電壓之后，溝道開啟，電流IL開始從D2換向Q1，這個過程在D2開始承受耐壓為止。此時Q2門極回路的等效電路為

可見，V1決定了這個階段Q2門極電壓的變化趨勢。

[t2~t3]

這個階段D2承受反向電壓，Q2電壓開始上升，此時米勒效應產生的位移電流會在Q2門極產生壓降，此階段以Q1漏源極電壓減小到導通壓降為止。此時Q2門極回路的等效電路為

可見，V1決定了這個階段Q2門極電壓的變化趨勢。

這個正向串擾電壓有可能會超過Q2的閾值電壓，導致其部分開通，從而導致上下直通的可能性。

[t3~t4]

這個階段，Q1門極電壓上升達到驅動電壓，Q1完全開通。

02

負向串擾

[t5~t6]

Q1開始關斷，但電壓還未降低到米勒電壓。

[t6~t7]

Q1的門極電壓達到米勒電壓，Q1的漏源極電壓開始上升，Q2的漏源極電壓開始下降，當Q2的漏源極電壓跌到D2的導通電壓時為止。此時Q2門極回路的等效電路為

在Q2門極產生的串擾電壓和[t2~t3]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。這個負向電壓可能超過額定門極負壓，對門極可靠性造成影響。

[t7~t8]

這個階段，電流開始從Q2換向D2，直到Q1溝道關斷，等效電路為

在Q2門極產生的串擾電壓和[t1~t2]階段公式一樣，但電壓電流變化率不同。

[t8~t9]

這個階段，Q1門極電壓下降到閾值電壓以下，直到Q1完全關斷。

以上大致闡述了串擾的產生機理，其中涉及到回路寄生參數以及電流電壓變化率，所以相應的抑制措施一般都圍繞這些展開。

SiC串擾的抑制

上述我們直到串擾問題的幾個因素，速度（di/dt、dv/dt）和寄生參數（電阻、電容、電感），抑制的主要手段就是從這些出發。

降低開關速度是最為直觀最簡單的手段，但這又限制了碳化硅適用于高頻的優勢，所以效率和功率密度上要在原先的基礎上打些折扣；

選擇合適的負驅動電壓，在這個電壓下，讓正向串擾不高于閾值電壓，讓負向串擾不超過額定負壓。可想而知這么一個折中的負電壓值是不太容易選擇的。除非基于現有的系統設計參數，多次實驗可能會得到這么一個合適的負驅動電壓；

還有就是在門極回路中添加輔助電路，給串擾提供一個低阻抗的路徑，有通過MOSFET，BJT等進行控制的，但這無疑給驅動設計帶來了更高的要求和成本；

還有從寄生參數的角度出發，盡可能在設計時將寄生參數做到盡可能小。

另外，基本上所有的主流碳化硅廠家都會針對自己的碳化硅推薦合適的驅動電壓以及相應的參考設計，比如ROHM的Application Note 《柵極-源極電壓的浪涌抑制方法》。

小結

習慣于應用硅基IGBT的基礎上，慢慢轉向碳化硅的應用時，很多的考量都會更多的基于IGBT，所以我接觸到的很多應用都會選擇最簡單的串擾抑制方法，比如通過二極管將負向串擾鉗位到負驅動電壓電源。但這個需要注意的是，盡量將負壓電源靠近門極，可以通過電容在門極附近預留負壓電壓，盡可能減小這個回路，這樣鉗位效果會適當地好很多。或者在效率上稍作讓步，達到能夠接受的抑制范圍。

另外在測試中，測量門極電壓時，盡可能減小測量回路，有條件多試試使用光隔離探頭，很多情況下我們看到的測試波形跟碳化硅門極的實際波形相差很遠，這導致了我們無法很好地判斷設計的準確性，花費很多不必要的精力。

總之，碳化硅的應用，其實還是處在初期，更好的性能其實需要更好的外圍配套才能凸顯，所以既然選擇了碳化硅，沒必要在門極驅動設計上猶豫太多。

審核編輯：劉清