【導讀】benwentantaoleguanduanshifashengdezhajidianyaqianchongduidaotongkaiguantexingdeyingxiang。zhezhongyingxianglaiziyuyuzhidianyadechizhixiaoying
，zhizhapianyabianhuashi，yuzhidianyadewanquankehuifushuntaipianyi。yuzhidianyadechizhixiaoyingshiyoubandaoti-絕緣體界麵缺陷中，電荷的短期俘獲和釋放引起的。因此，關斷時的柵極電壓欠衝會對碳化矽（SiC）MOSFET的開關特性產生影響。

我wo們men在zai應ying用yong條tiao件jian下xia，使shi用yong雙shuang脈mai衝chong測ce量liang進jin行xing研yan究jiu。研yan究jiu結jie果guo表biao明ming，關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya欠qian衝chong對dui閾yu值zhi電dian壓ya遲chi滯zhi效xiao應ying的de影ying響xiang與yu恒heng定ding的de關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya相xiang同tong，進jin而er會hui對dui導dao通tong開kai關guan特te性xing產chan生sheng影ying響xiang。然ran而er，似si乎hu隻zhi有you在zai違wei背bei數shu據ju手shou冊ce所suo定ding義yi的de最zui小xiao瞬shun態tai電dian壓ya的de邊bian界jie條tiao件jian時shi，這zhe種zhong影ying響xiang才cai有you意yi義yi。

1 引言

在現代電力電子係統中使用SiC MOSFET，需xu要yao電dian路lu開kai發fa人ren員yuan處chu理li矽gui基ji功gong率lv器qi件jian聞wen所suo未wei聞wen的de器qi件jian特te性xing。閾yu值zhi電dian壓ya遲chi滯zhi效xiao應ying就jiu是shi這zhe樣yang的de特te性xing之zhi一yi。文wen獻xian表biao明ming
，這zhe種zhong由you關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya所suo觸chu發fa的de效xiao應ying，會hui大da大da影ying響xiangSiC MOSFET的開通特性[2][4][9][10] [11]。例如，[2]證zheng明ming了le，雖sui然ran跨kua導dao不bu受shou影ying響xiang，但dan導dao通tong過guo程cheng中zhong的de閾yu值zhi電dian壓ya和he米mi勒le電dian壓ya同tong時shi依yi賴lai於yu關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya。該gai試shi驗yan還hai強qiang調tiao，雖sui然ran柵zha源yuan電dian荷he在zai導dao通tong期qi間jian幾ji乎hu不bu受shou關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya的de影ying響xiang，但dan當dang關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya從cong-3V降低到-7V時
，米勒電荷增加了大約5%。

這一分析在[4]所報告的研究結果中得到了證實。除了[2]
，我們還可以通過[4]清楚地看出，利用這種效應
，有助於降低開通時的能量損耗。關斷柵極電壓對SiC MOSFET的開通行為有很大影響。與具體使用的器件技術無關，因此必須在設計階段就考慮到這一點[4]。

為此，從原則上來看
，我們之前報告的[2]研yan究jiu十shi分fen簡jian潔jie明ming了le，並bing對dui該gai效xiao應ying進jin行xing了le深shen入ru的de理li論lun性xing描miao述shu，因yin此ci，可ke以yi供gong電dian路lu設she計ji人ren員yuan使shi用yong。但dan是shi，該gai分fen析xi隻zhi討tao論lun了le恒heng定ding關guan斷duan柵zha極ji電dian壓ya的de影ying響xiang
，並bing沒mei有you涵han蓋gai更geng快kuai的de動dong態tai變bian化hua，例li如ru
，柵zha極ji電dian壓ya欠qian衝chong。

因此，在本研究中，我們將重點關注，在閾值電壓遲滯的背景下，柵極電壓欠衝對SiC MOSFET開關特性的影響。

2 實驗設置

本研究補充了[2]所報告的研究結果，[2]所討論的雙脈衝測量，是在240Ω的高外部柵極電阻下進行的，從而可以忽略電路中寄生元件的影響。其測量結果可以直接追溯到SiC MOSFET芯片技術的物理特性。然而
，由於開關速度低
，不能立即得出其與類似應用條件的相關性。

本研究對此進行了補充

，我們在典型應用條件下（V_DD=800V，I_D=20A，T=25℃），使用采用TO247-4封裝的1200V SiC MOSFET進行了雙脈衝測量（見圖2）。

SiC MOSFET的開關特性（特別是在高開關速度下）很大程度上取決於測量電路的寄生元件及其封裝。因此，在這項研究中，有必要減少所測電路的寄生影響。否則，這些影響可能會對SiC MOSFET電氣行為產生誤導性的解釋。因此，我們使用了雜散電感為6.5nH的低電感設置。

圖1為測量設置的等效電路圖，圖2為測量設置圖。

圖1：雙脈衝設置的等效電路圖

與傳統的高電感設置相比
，這種低電感設置不采用母線軌
，而是采用低ESL直流母線陶瓷電容器。

圖2：具有可調雜散電感的定製雙脈衝設置

如前所述，除了測量電路之外
，快速開關SiC MOSFET的開關特性也在很大程度上受到封裝的影響。因此，本研究使用了TO247-4引線封裝（見圖3）。該封裝帶有一個輔助源極引腳和一根雜散電感約為4.5nH的源極鍵合線。

圖3：采用TO247-4封裝的1200V SiC MOSFET

3 結果與討論

本節的第一部分說明了應用中的柵極電壓欠衝的含義和來源；第二部分解釋了電路設計人員該如何評估柵極電壓欠衝是否會影響SiC-MOSFET的開關特性；在最後一節，探討了柵極電壓欠衝對開關能量損耗以及器件熱行為的影響。

3.1 柵極電壓特性

圖4清楚地顯示了，外部柵極電阻分別為1Ω和10.1Ω時，關斷測量脈衝期間，柵極電壓隨時間的變化。驅動器的關斷柵極電壓被設為-5V。

圖4：關斷測量脈衝期間，柵極電壓隨時間的變化

（T =25°C）

外部柵極電阻為10.1Ω時，被測器件的柵極電壓沒有明顯的欠衝；相比之下
，外部柵極電阻為1Ω時
，被測器件的最小觀測柵極電壓約為-10.5V，持續時間為幾納秒。

在不同的外部柵極電阻下，重複這些測量，並確定測得的最小關斷柵極電壓。

圖5所示的結果表明
，最小柵極電壓在很大程度上受到外部柵極電阻的影響，並且柵極電壓欠衝可低於靜態關斷電壓5V。

圖5：關斷測量脈衝期間，柵極電壓與RG,ext的關係

這意味著SiC MOSFET被施加的最小關斷柵極電壓不僅與驅動電壓有關
，還取決於關斷期間柵極電壓的額外欠衝。

該柵極電壓欠衝的幅度可以根據等式（1）計算：

在等式（1）中，表示柵極環路的諧振頻率，具體由等式（2）計算而得：

在該等式中
，L_S為輔助源極鍵合線和引腳的電感，L_G為柵極鍵合線和引腳的電感，L_Stray為柵極驅動電路的雜散電感。

阻尼因子可以通過內部柵極電阻R_INT和外部柵極電阻R_G,EXT，按照等式（3）計算：

最後，可以使用等式（5）
，計算角本征頻率：

假設有一個阻尼因子為0的理想的諧振器，則相對柵極電壓過衝可以使用等式（6）計算：

該實驗的結果表明
，在應用中可能會出現柵極電壓欠衝。但必須注意


，這些柵極電壓欠衝是由所使用的SiC MOSFET和柵極驅動電路之間的相互作用造成的，不能隻是追溯到所用的SiC MOSFET的電氣特性。

然而

，如前所述，電路設計人員應確保柵極電壓欠衝不超過數據手冊所給出的最大瞬態電壓限製，並忽略其對導通開關特性的影響。

從cong理li論lun的de角jiao度du來lai看kan，電dian荷he預yu計ji可ke以yi在zai幾ji納na秒miao內nei被bei俘fu獲huo。利li用yong超chao快kuai速su的de測ce量liang，數shu項xiang研yan究jiu提ti出chu了le在zai柵zha偏pian壓ya變bian化hua的de幾ji分fen之zhi一yi微wei秒miao內nei，閾yu值zhi電dian壓ya的de變bian化hua[9][10] [11]。這些結果與無輻射多聲子模型[12]一致

，該模型將電荷俘獲描述為，影響閾值電壓的、在統計上獨立的疊加電荷轉移反應。相關的俘獲和釋放時間常數可以非常低，以至於在欠衝時間內
，觸發相當大的閾值電壓偏移。

因此，預計哪怕是在幾納秒範圍內
、非常短的關斷柵極電壓欠衝（見圖4）
，也會由於遲滯效應

，導致閾值電壓偏移，並可能對開通瞬變產生很大影響。

這種效應鮮為人知
，現有文獻中也沒有關於它的詳細描述。因此，我們將在下一節探討關斷期間的柵極電壓欠衝是否會影響SiC MOSFET的導通行為。

3.2 開關瞬變

我們在上一節探討了應用中柵極電壓欠衝的含義和來源；並證明了在非常快的開關速度下
，可能會出現低於靜態關斷柵極電壓5V的柵極電壓欠衝。

本節將介紹和探討，柵極電壓欠衝對後續導通開關特性的影響所產生的結果。

圖6顯示了柵極關斷電壓分別為0V和-5V、外部柵極電阻為10.1Ω時，器件的漏極電流和漏極電壓隨時間的變化。如圖4所示，在這個外部柵極電阻下，沒有觀察到柵極電壓欠衝。

圖6：漏極電流和漏極電壓與時間的關係

（RG,ext=10 Ω）

由於存在遲滯效應，與在0V關斷柵極電壓下進行的測量相比，在-5V關斷驅動電壓下，被測器件的閾值電壓明顯降低。

根據[2][4]，在-5V關斷驅動電壓下
，開通瞬態電流應該明顯更高。然而
，如圖6所示，隻要驅動電壓保持高於-5V，則恒定關斷柵極電壓的影響就可以忽略不計。

如圖4所示
，如果缺少適當的柵極電路設計，柵極電壓欠衝就可能會明顯低於-5V。例如，7Ω的外部柵極電阻和-5V的驅動電壓，會導致柵極電壓最低達到-7V；而1Ω的外部柵極電阻和-5V的驅動電壓，會導致柵極電壓最低達到-10.5V。

相應的開關特性見圖7和圖8。

圖7：漏極電流和漏極電壓與時間的關係

（RG,ext=7 Ω）

這些導通開關特性表明
，在有柵極電壓欠衝的兩個實驗中，關斷柵極電壓為-5V時(shi)，被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)更(geng)高(gao)的(de)漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu)斜(xie)率(lv)。在(zai)未(wei)觀(guan)察(cha)到(dao)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)欠(qian)衝(chong)的(de)測(ce)量(liang)中(zhong)

，測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)沒(mei)有(you)顯(xian)示(shi)出(chu)這(zhe)種(zhong)差(cha)異(yi)，這(zhe)表(biao)明(ming)額(e)外(wai)的(de)關(guan)斷(duan)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)欠(qian)衝(chong)，會(hui)影(ying)響(xiang)導(dao)通(tong)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)。

圖8：漏極電流和漏極電壓隨時間的變化

（RG,ext=1 Ω）

這些結果表明，由觀察到的開關瞬態顯著增加可知，閾值電壓遲滯效應可由柵極電壓欠衝觸發。

這些結果通過提取開關瞬變得到了進一步的強調。圖9顯示了相應的漏極電流斜率，圖10顯示了被測器件在柵極關斷電壓為0V和-5V時，對應的漏極電壓斜率和外部柵極電阻的關係。

考慮到關斷柵極電壓必須低於-5V，因此
，可以認為，在關斷柵極電壓為0V時進行的測量中，開關瞬態不受滯後效應的影響。相比之下
，如圖9和圖10所示，在關斷柵極電壓為-5V和外部柵極電阻產生柵極電壓欠衝時進行的測量中，開關瞬態速度顯著增加。

外部柵極電阻為6.7Ω時
，關斷柵極電壓約為-7V，處於數據手冊中給出的最大瞬態柵極電壓的範圍內。在這種情況下，可以觀察到漏極電流斜率從5.5 A/ns增加到6A/ns，漏極電壓斜率從53V/ns
，增加到60V/ns。

總(zong)而(er)言(yan)之(zhi)，這(zhe)些(xie)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)
，柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)欠(qian)衝(chong)可(ke)能(neng)會(hui)觸(chu)發(fa)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)滯(zhi)後(hou)效(xiao)應(ying)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)，並(bing)導(dao)致(zhi)更(geng)快(kuai)的(de)導(dao)通(tong)開(kai)關(guan)瞬(shun)態(tai)。但(dan)必(bi)須(xu)注(zhu)意(yi)
，這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)隻(zhi)與(yu)漏(lou)極(ji)電(dian)壓(ya)斜(xie)率(lv)大(da)於(yu)40V/ns的、非常快的開關速度有關。

圖9：漏極電流斜率與外部柵極電阻的關係

圖10：漏極電壓斜率與外部柵極電阻的關係

3.3 開關能量

除chu了le主zhu要yao與yu柵zha極ji驅qu動dong器qi設she計ji和he電dian磁ci兼jian容rong性xing問wen題ti相xiang關guan的de開kai關guan瞬shun態tai外wai，電dian路lu設she計ji人ren員yuan在zai設she計ji冷leng卻que係xi統tong時shi，還hai必bi須xu考kao慮lv熱re損sun耗hao。對dui於yu這zhe一yi點dian
，本ben研yan究jiu證zheng實shi了le從cong文wen獻xian[4]中了解到的情況，即遲滯效應可能會由於更快的開關瞬態，而大大降低導通能量損失。

這種效應見圖11。該圖顯示了，在關斷柵極電壓分別在0V和-5V時，進行的開關測量中
，導通能量損耗與外部柵極電阻的關係。

圖11：開通能量損耗與外部柵極電阻的關係

（T= 25°C）

柵極電阻低於7Ω時
，與關斷柵極電壓為0V時進行的測量相比，關斷柵極電壓在-5V時(shi)測(ce)得(de)的(de)導(dao)通(tong)開(kai)關(guan)能(neng)量(liang)損(sun)耗(hao)更(geng)低(di)。除(chu)非(fei)考(kao)慮(lv)到(dao)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)滯(zhi)後(hou)對(dui)導(dao)通(tong)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)，否(fou)則(ze)這(zhe)一(yi)點(dian)並(bing)不(bu)明(ming)顯(xian)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)在(zai)通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，導(dao)通(tong)特(te)性(xing)與(yu)關(guan)斷(duan)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)無(wu)關(guan)。

然而，本研究證明了，閾值電壓遲滯效應僅在關斷柵極電壓低於-5V時觸發（而非先前報告的-2 V）。研究還表明，即便外部柵極電阻非常低，柵極電壓欠衝也僅在-5V範圍內。這意味著，關斷柵極電壓應至少為-2V或更低
，才能對導通能量損耗帶來明顯影響。然而
，根據[8,9]
，如果溫度很高，而且關斷柵極電壓低於-2V
，那麼SiC MOSFET的高邊體二極管內的雙極電荷會明顯增加。這會導致明顯更高的開通能量損耗，從而抵消由於遲滯效應導致的更快開通。

如圖12所示，在175°C的結溫下，與關斷柵極電壓為0V時進行的開關測量相比，關斷柵極電壓為-5V時，被測器件的開通能量損耗要高得多。

圖12：導通能量損耗與外部柵極電阻的關係

（T= 175°C）

但這並不意味著遲滯效應不能被用來減少開通能量損耗。但是，為此必須減少SiC MOSFET高邊體二極管內的反向恢複電荷（例如，通過縮短死區時間[9]。）

參考文獻

[1] P. Sochor, A. Huerner and R. Elpelt, "A Fast and Accurate SiC MOSFET Compact Model for Virtual Prototyping of Power Electronic Circuits," PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2019, pp. 1-8

[2] A. Huerner, P. Sochor, M. Feil and R. Elpelt, "Influence of the Threshold-Voltage Hysteresis on the Switching Properties of SiC MOSFETs," PCIM Europe digital days 2021; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2021, pp. 1-8

[3] D. Peters, T. Aichinger, T. Basler, G. Rescher, K. Puschkarsky and H. Reisinger, "Investigation of threshold voltage stability of SiC MOSFETs," 2018 PCIM Europe 2022, 10 – 12 May 2022, IEEE 30th International symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Chicago, IL, 2018, pp. 40-43, doi: 10.1109/ISPSD.2018.8393597.

[4] Y. Cai et al., "Effect of Threshold Voltage Hysteresis on Switching Characteristics of Silicon Carbide MOSFETs," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 10, pp. 5014-5021, Oct. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3101459.

[5] K. Puschkarsky, T. Grasser, T. Aichinger, W. Gustin and H. Reisinger, "Understanding and modeling transient threshold voltage instabilities in SiC MOSFETs," 2018 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), 2018, pp. 3B.5-1-3B.5-10, doi: 10.1109/IRPS.2018.8353560

[6] P. Sochor, A. Huerner and R. Elpelt, "Commutation loop design for optimized switching behavior of CoolSiC (exp TM) MOSFETs using compact models," PCIM Europe digital days 2020; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2020, pp. 1-8.

[7] P. Sochor, A. Huerner, M. Hell and R. Elpelt, "Understanding the Turn-off Behavior of SiC MOSFET Body Diodes in Fast Switching Applications," PCIM Europe digital days 2021; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2021, pp. 1-8.

[8] P. Sochor, A. Huerner, Q. Sun, R. Elpelt, “Understanding the switching behavior of fast SiC MOSFETs”, in PCIM Europe 2022

[9] K. Puschkarsky, H. Reisinger, T. Aichinger, W. Gustin, and T. Grasser, “Threshold voltage hysteresis in SiC MOSFETs and its impact on circuit operation,” in 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), S. Lake Tahoe, California, Oct. 2017.

[10] K. Puschkarsky, H. Reisinger, T. Aichinger, W. Gustin, and T. Grasser, “Understanding BTI in SiC MOSFETs and Its Impact on Circuit Operation,” IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, vol. 18, no. 2, pp. 144–153, Jun. 2018, doi: 10.1109/TDMR.2018.2813063.

[11] M. W. Feil et al., “The Impact of Interfacial Charge Trapping on the Reproducibility of Measurements of Silicon Carbide MOSFET Device Parameters,” Crystals, vol. 10, no. 12, Dec. 2020, doi: 10.3390/cryst10121143.

[12] C. Schleich et al., “Physical Modeling of Charge Trapping in 4H-SiC DMOSFET Technologies,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 68, no. 8, pp. 4016–4021, Aug. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3092295.

[13] T. Aichinger, G. Rescher, and G. Pobegen, “Threshold voltage peculiarities and bias temperature instabilities of SiC MOSFETs,” Microelectronics Reliability, vol. 80, pp. 68–78, 2018, doi: 10.1016/j.microrel.2017.11.020.

來源：Andreas Huerner1, Paul Sochor1, Qing Sun1, Maximilian Feil2, Rudolf Elpelt1

1 英飛淩科技股份公司（德國埃爾朗根）

2 英飛淩科技股份公司（德國紐倫堡）

通訊作者：Andreas Huerner,

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片

、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

打破電動汽車“裏程焦慮”
，主驅能效如何升級？

如何加強對Type-C數據線的充電保護？

以太網供電實現LED照明應用

自動駕駛汽車的未來趨勢：集中式傳感器融合

揭秘SMD保險絲：尺寸雖然小，功能不打折，它們是如何做到的？