【導讀】如下圖1是今年英飛淩新推出的一顆TO-247-3封裝的1200V/45mΩ的SiC MOSFET單管。假定該器件焊到PCB後

，其管腳到器件內部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數如下圖所示，其中V_{D1_Q1}
、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管腳測到的信號
，V_{D0_Q1}
、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1內部芯片的信號


，芯片Q1內包含寄生電阻R_gint=4Ω。

特別提醒

仿真隻是工具，仿真無法替代實驗

，仿真隻供參考，一 切以實際測量為準。

研發不僅是腦力活，也是體力活，搞過電力電子的同學想必深有體會。

如果大家山重水複於研發日常的擰螺絲、焊板子
、測電路

、打波形、調參數、堆代碼、寫文檔
，不妨打開手機
，進入英飛淩公眾號，隨我們一起看看仿真世界裏的柳暗花明。

因此，英飛淩官網上線了全線SiC單管的SPICE模型，以便大家在實驗之餘，利用SIMetrix或LTsipce等工具進行器件應用的相關仿真。

這一次，我們將利用SIMetrix SPICE仿真，一窺SiC單管的開關瞬間。

如下圖1是今年英飛淩新推出的一顆TO-247-3封裝的1200V/45mΩ的SiC MOSFET單管。假定該器件焊到PCB後
，其管腳到器件內部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數如下圖所示，其中V_{D1_Q1}、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管腳測到的信號
，V_{D0_Q1}、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1內部芯片的信號，芯片Q1內包含寄生電阻R_gint=4Ω。

圖1 SiC單管及其內部雜散參數(僅供參考)

為了研究該SiC MOSFET單管的開關瞬間特性，我們搭建了雙脈衝仿真電路，如下圖2：

圖2 SiC單管雙脈衝仿真電路

Q1/Q2皆為上述SiC MOSFET單管，其中下管Q2進行雙脈衝開關
，上管Q1維持關斷電平。驅動部分的默認設置為V_GS=+15V/0V，R_gon=2Ω
，R_goff=2Ω。

鑒於器件內部寄生參數的客觀存在，在器件管腳處測得的信號不能真實反映芯片內部的電壓變化，以下管Q2開關為例，如下圖3所示：

圖3 下管Q2的器件參數與驅動電路

從器件外部管腳測到的V_GS電壓為綠色的“V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2}”

，而器件內部芯片的V_GS電壓為藍色的“V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2}”，顯然，兩者波形是有所差異的，如下圖4和圖5：

圖4 Q2開通時的器件內外的柵極電壓

圖5 Q2關斷時的器件內外的柵極電壓

究其原因，則是柵極與源極之雜散電感作祟，尤以源極處為甚，具體如圖6：

其中，綠色為外部柵極電壓(V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2})，藍色為芯片柵極電壓(V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2})，紅色為芯片+柵極電感的柵極電壓(V_{G1_Q2}-V_{S0_Q2})
，而藍色與紅色差異很小。所以，在器件外部看到的柵極電壓振蕩
，主要來自源極電感的影響。

圖6 不同位置門極電壓V_GS

因此，後續分析將重點聚焦芯片內部之不可測的柵極電壓，而非管腳處之可測非真實者。

下管Q2雙脈衝動作時
，觀測上管Q1的相關波形
，如下圖7所示：

圖7 下管Q2開通瞬間的上管Q1波形

可以看到
，在Q2開通瞬間，Q1在器件外部管腳V_GS(綠色: V_{G1_Q1}-V_{S2_Q1})和芯片V_GS(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})的差異很大，這是為什麼呢？

為了便於分析，我們抓取了Q1的電流I_{d_Q1}(電流正方向: 紅色方向)和芯片的柵漏極電壓(米勒電壓: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})
，以及源極電感電壓(紅色: V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})
，如下圖8所示；

圖8 器件內外V_GS電壓、源極電感電壓
、源極電流與米勒電壓的波形(3pin)

如上：Q1內部的芯片VGS電壓
，是源極電感的電壓激勵源和米勒電容處的電流激勵源，兩者共同影響的結果。其中：由米勒電壓(藍色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})產生的米勒電流，會抬高Q1柵極電壓以增加寄生導通的風險
，其影響是單調的
；而源極電感電壓(V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})會呈現先正後負的突變特性，是因為源極電流I_{d_Q1}在續流和反向恢複階段的電流di/dt極性突變，其前半部分對Q1內部柵極電壓(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})有明顯的抑製作用
，而後半部分則反之。 

那麼，在這個仿真Case(實際應用不一定)中，源極電感or米勒電容

，兩者影響孰輕孰重呢？

為了研究Q1源極電感的影響
，我們維持Q2所有配置不變，以保證相同的開關速度
，以及Q1處的dv/dt和di/dt不變
，隻將Q1器件外部的源極直接連到芯片源極，以屏蔽其對Q1驅動回路的影響，類似TO-247-4pin的原理，其他參數不變
，得到仿真波形
，如下圖9所示：(此時Q1是否寄生導通隻有米勒電容的影響)

圖9 屏蔽芯片源極電感前 (虛線/3pin)後(實線/4pin)的仿真波形對比

如上：虛線部分為源極改動之前的波形(3pin)，實線部分為源極改動之後的波形(4pin)。我們對比改動前後Q1電流I_{d_Q1}(紅色: I_{d_Q1})
、米勒電壓V_DG (藍色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})和芯片V_GS波形(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})，發現兩者有明顯區別。

為了進一步驗證，我們把驅動電壓V_GS從+15V/0V改為+15V/-3V
，其仿真波形結果如圖10所示。同樣改動Q1源極電感的位置以模擬3pin/4pin
，可以看到電流I_{d_Q1}和米勒電壓V_DG波形實線(4pin)和虛線(3pin)重合
，相同的結論是：4pin的芯片V_GS電壓比3pin的稍微高一點。

圖10 調整V_GS電壓後，屏蔽源極電感前 (虛線/3pin)後(實線/4pin)的仿真波形

特別備注

以上仿真，隻借鑒其定性之趨勢，不深究其定量之判定。實際應用，須以實測為準。

微信文淺，篇幅有限，蜻蜓點水
，點到即止。

仿真的世界很奇妙，希望大家在勞累躬親的實驗之餘，打開電腦跑個仿真泡杯茶，享受片刻的科研悠閑時光。

關於英飛淩

英飛淩設計、開發
、製造並銷售各種半導體和係統解決方案。其業務重點包括汽車電子
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來源：英飛淩工業半導體，作者：張浩  

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