測不對SiC MOSFET驅動波形六大原因

(本文轉載自公眾號：功率器件顯微鏡)

開關特性是功率半導體開關器件最重要的特性之一，由器件在開關過程中的驅動電壓、端電壓、端電流表示。一般在進行器件評估時可以采用雙脈沖測試，而在電路設計時直接測量在運行中的變換器上的器件波形，為了得到正確的結論，獲得精準的開關過程波形至關重要。

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開關器件的一個重要區(qū)別是它們的柵極耐壓能力不同，Si開關器件柵極耐壓能力一般都能夠達到±30V，而SiC MOSFET柵極正壓耐壓能力一般在+20V至+25V，負壓耐壓能力一般僅有-3V至-10V。同時，SiC MOSFET開關速度快，開關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，往往會在驅動電壓測量上遇到問題，即測得的驅動電壓震蕩幅值較大、存在與理論不相符的尖峰，導致搞不清楚是器件的問題還是電路設計的問題，進而耽誤開發(fā)進度。

接下來我們將向您介紹六種由于測試問題而導致的驅動電壓離譜的原因。

原因1：高壓差分探頭衰減倍數過大

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動波形。

有時在使用高壓差分探頭時獲得的驅動波形顯得非常粗，這往往是由于高壓差分探頭的衰減倍數過大導致的。衰減倍數大，高壓差分探頭的量程就大，使得分辨率大幅下降，同時示波器在還原信號時還會將噪聲放大。此時就需要選擇衰減倍數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。我們使用下圖中的高壓差分探頭測量驅動電壓，衰減倍數分別選擇50倍和500倍，在下圖中可以明顯到500倍衰減倍數下驅動波形非常粗。

50倍與500倍衰減波形對比

示意圖為泰克高壓差分探頭

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。在進行測量時，可以將兩根測量線看作為一個天線，會接收外界的磁場信號。而SiC MOSFET的開關速度快，開關過程電流變化速率大，其產生的磁場穿過由高壓差分探頭測量線形成的天線時就會影響測量結果。

為了降低這一影響，可以將高壓差分探頭的兩根測量線進行雙絞，盡量減小它們圍成的面積。從下圖中可以看到，在將測量線未雙絞進行雙絞后，驅動電壓波形的震蕩幅度明顯降低了。

是否雙絞的波形對比

原因3：無源探頭未進行阻抗匹配

阻抗匹配與未阻抗匹配波形對比

無源探頭衰減倍數小、帶寬高，往往可以在雙脈沖測試時用來獲得更為精準的驅動電壓波形。無源探頭的等效電路如下所示，只有當其與示波器達到阻抗匹配時才能獲得正確的波形。一般情況下，我們可以通過旋轉無源探頭尾部的旋鈕調節(jié)電容來進行阻抗匹配調節(jié)，此外還有部分探頭能夠在示波器上完成自動補償。

當驅動電壓為-4V/+15V時，通過上圖可以看到，是否正確補償對測量結果有非常大的影響。當探頭未進行阻抗匹配時，驅動波形振蕩幅度明顯變大，測量量值也更大，這將會導致對驅動電壓的誤判。當探頭正確阻抗匹配時，驅動電壓振幅更小，測量值與實際外加電壓一致。

原因4：無源探頭未使用最小環(huán)路測量

無源探頭標配的接地線有接近10cm長，采用這樣的接地線時，會出現同高壓差分探頭一樣，即測量線圍出一個很大的面積，成為一個天線，測量結果會受到SiC MOSFET開關過程中高速變化的電流的影響。同時，過長的接地線可以看做一個電感，也會導致震蕩的產生。

為了降低這一影響，可以使用廠商標配的彈簧接地針，其長度短、圍出的面積更小。從上圖中可以看到，使用標配接地線時，驅動波形震蕩嚴重，其峰值最大達到xxV，超過了SiC MOSFET柵極耐壓能力；當使用彈簧接地針后，波形震蕩大大減輕了，幅值均在SiC MOSFET柵極耐壓能力范圍內。

長接地線與短彈簧地線波形對比

示波器自帶長接地線、短彈簧地線

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，其電壓在電路工作時是跳變的。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的開關速度，可達到100V/ns。此時要測量上管的驅動電壓，就需要面對這樣高幅值、高速度跳變的共模電壓。

從上圖中可以看到，當采用常見的高壓差分探頭時，驅動波形振蕩更大，在第一個脈沖內Ton時間測量值偏低，在Toff時間內存在偏置，在第二個脈沖上升沿存在嚴重的震蕩。這主要是由于高壓差分探頭在高頻下的共模抑制比不夠導致的，此時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動電壓波形。從下圖中可以看到，當采用光隔離探頭后，波形震蕩明顯減小，第二脈沖上升沿的嚴重震蕩消失，在關斷時間內電壓測量值與實際外加電壓接近。

光隔離探頭與高壓差分探頭波形對比

示意圖為泰克光隔離探頭ISOVu

原因6：測量點離器件引腳根部過遠

4pin的圖片和等效示意圖

當我們測量驅動電壓波形時，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。可以將器件的引腳看作為電感，那么我們實際測得的驅動電壓為真實的柵-源極電壓和測量點之間引腳電感上壓降之和。那么，測量點之間引腳長度越長，測量結果與SiC MOSFET芯片上真實的柵-源極電壓差異越大。

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之間引腳的長度。從下圖中可以看到，當測量點位于引腳根部時，開通驅動波形振蕩幅值及振蕩頻率明顯減少，關斷驅動波形振蕩幅值也明顯減少。

探頭接引腳根部與遠離根部

引腳根部與遠離根部波形對比

總結

要想使用好SiC MOSFET，充分發(fā)揮其優(yōu)異的特性，使用合適的設備和測量方法獲得正確的波形非常重要。相信讀完本文的你，不會再被錯誤的波形坑了。