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SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓試驗(yàn)結(jié)果離譜的六個(gè)原因

（2025年4月30日更新）

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開(kāi)關(guān)特性是功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)備最重要的特性之一，由開(kāi)關(guān)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)電壓、端電壓和端電流表示。一般來(lái)說(shuō)，雙脈沖測(cè)試可用于設(shè)備評(píng)估，而在電路設(shè)計(jì)中直接測(cè)量運(yùn)行中變換器上的設(shè)備波形。為了得出正確的結(jié)論，獲得準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形是非常重要的。

SiC MOSFET相較于 Si MOS 和 IGBT 它可以顯著提高變換器的效率和功率密度，但也可以降低系統(tǒng)成本，受到大多數(shù)電力工程師的青睞，越來(lái)越多的功率變換器基于 SiC MOSFET 的方案。SiC MOSFET 與 Si 開(kāi)關(guān)設(shè)備的一個(gè)重要區(qū)別是它們的柵極耐壓性不同，Si 開(kāi)關(guān)器件柵的極耐壓性一般都能達(dá)到 ±30V，而 SiC MOSFET 柵極正壓耐壓能力一般在 20V 至 25V，一般來(lái)說(shuō)，負(fù)壓耐壓能力只有負(fù)壓耐壓能力 -3V 至 -10V。同時(shí)，SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)過(guò)程中柵極電壓更容易振動(dòng)。如果振動(dòng)超過(guò)其柵極耐壓性，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備柵極可靠性退化或直接損壞。

許多電源工程師剛剛接觸到許多電源工程師 SiC MOSFET 在不久的將來(lái)，驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量經(jīng)常遇到問(wèn)題，即驅(qū)動(dòng)電壓振幅值大，峰值與理論不一致，導(dǎo)致設(shè)備問(wèn)題或電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，延誤開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

接下來(lái)，我們將向您介紹 6 由測(cè)試問(wèn)題引起的驅(qū)動(dòng)電壓離譜。

原因1：高壓差探頭衰減倍數(shù)過(guò)大

在電源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常選擇高壓差分探頭來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)波形。有時(shí)使用高壓差分探頭時(shí)獲得的驅(qū)動(dòng)波形非常粗糙，這通常是由于高壓差分探頭的衰減倍數(shù)過(guò)大造成的。衰減倍數(shù)大，高壓差探頭量程大，分辨率大大降低，示波器還原信號(hào)時(shí)噪聲放大。此時(shí)需要選擇衰減倍數(shù)較小的高壓差分探頭或高壓差分探頭衰減較小的檔位。我們使用圖 1 驅(qū)動(dòng)電壓由高壓差探頭測(cè)量，衰減倍數(shù)分別選擇 50 倍和 500 倍，可以在下圖中明顯看到驅(qū)動(dòng)波形在500倍衰減倍數(shù)下非常厚。

圖1 泰克高壓差探頭示意圖

圖2 50倍和500倍Infineon代理對(duì)比

原因2：高壓差探頭測(cè)量線未雙絞線

高壓差分探頭一般用于測(cè)量高壓信號(hào)。為了安全方便接線，前端有兩個(gè)接近 20cm的測(cè)量線。測(cè)量時(shí)，可以將兩條測(cè)量線視為天線，接收外部磁場(chǎng)信號(hào)。而SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)過(guò)程電流變化速率大，磁場(chǎng)通過(guò)高壓差探頭測(cè)量線形成的天線會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了減少這種影響，可以雙絞高壓差分探頭的兩條測(cè)量線，盡量減少其周?chē)拿娣e。從圖 4 可此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)電壓波形的振蕩幅度在測(cè)量線未雙絞后明顯降低。

圖3 差異探頭是否雙絞

圖4 是否對(duì)雙絞波形進(jìn)行比較

原因3：無(wú)源探頭未進(jìn)行阻抗匹配

無(wú)源探頭具有較小的衰減倍數(shù)和較高的帶寬，通常用于在雙脈沖測(cè)試中獲得更準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電壓波形。無(wú)源探頭的等效電路如下所示，只有當(dāng)它與示波器達(dá)到阻抗匹配時(shí)才能獲得正確的波形。一般來(lái)說(shuō)，我們可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)無(wú)源探頭尾部的旋鈕來(lái)調(diào)整電容器，一些探頭可以在示波器上完成自動(dòng)補(bǔ)償。

驅(qū)動(dòng)電壓為 -4V/ 15V 時(shí)，通過(guò)圖 8 可以看出，正確的補(bǔ)償是否對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。當(dāng)探頭未進(jìn)行阻抗匹配時(shí)，驅(qū)動(dòng)波振蕩范圍明顯增大，測(cè)量值較大，導(dǎo)致對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的誤判。當(dāng)探頭正確阻抗匹配時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓振幅較小，測(cè)量值與實(shí)際外加電壓一致。

圖6 泰克無(wú)源探頭

圖7 無(wú)源探頭等效示意圖

圖8 阻抗匹配與未阻抗匹配的波形對(duì)比

原因4：無(wú)源探頭未使用最小環(huán)路測(cè)量

無(wú)源探頭標(biāo)準(zhǔn)接地線接近 10cm 長(zhǎng)，當(dāng)使用這樣的接地線時(shí)，會(huì)有一個(gè)像高壓差探頭一樣的探頭，即測(cè)量線被一個(gè)大面積包圍，成為天線，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到影響 SiC MOSFET 高速變化電流在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的影響。同時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的接地線可視為電感，也會(huì)引起沖擊。

為了減少這種影響，可以使用廠家標(biāo)準(zhǔn)的彈簧接地針，長(zhǎng)度短，周?chē)娣e小。 10 可以看出，使用標(biāo)準(zhǔn)接地線時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形振蕩嚴(yán)重，峰值最大 xxV，超過(guò)了 SiC MOSFET柵極耐壓；使用彈簧接地針時(shí)，波形振蕩大大降低，振幅值為 SiC MOSFET 在柵極耐壓范圍內(nèi)。

圖9 示波器有長(zhǎng)接地線和短彈簧地線

圖10 長(zhǎng)接地線與短彈簧地線波形對(duì)比

原因5：探頭高頻共模抑制比不夠

橋式電路中的上管 SiC MOSFET，其 S 在橋臂中點(diǎn)，其電壓在電路工作時(shí)跳變。跳變幅度為電路母線電壓，對(duì)于 1200V SiC MOSFET 母線電壓為 800V；其跳變速度為 SiC MOSFET 可達(dá)到開(kāi)關(guān)速度 100V/ns。為了測(cè)量上管的驅(qū)動(dòng)電壓，需要面對(duì)如此高的值和高速跳變的共模電壓。

圖11 泰克光隔離探頭ISOVu

從圖 12 在第一個(gè)脈沖中，當(dāng)使用常見(jiàn)的高壓差探頭時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形振蕩更大 Ton在 Toff 時(shí)間內(nèi)有偏差，第二脈沖上升沿有嚴(yán)重沖擊。這主要是由于高頻下高壓差分探頭的共模抑制比不造成的。此時(shí)，我們需要使用具有較高共模抑制比的光隔離探頭來(lái)測(cè)量上管驅(qū)動(dòng)電壓波形。

從圖 12 可以看出，當(dāng)采用光隔離探頭時(shí)，波沖擊顯著減少，第二脈沖上升邊緣的嚴(yán)重沖擊消失，電壓測(cè)量值接近關(guān)閉時(shí)間內(nèi)的實(shí)際外加電壓。

圖12 光隔離探頭與高壓差分探頭的波形比較

原因6:測(cè)量點(diǎn)離器件引腳根部太遠(yuǎn)

探頭不能直接測(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓波形觸到 SiC MOSFET 芯片，而只是能接到在設(shè)備的引腳上。設(shè)備的引腳可以看作是電感，所以我們實(shí)際測(cè)量的驅(qū)動(dòng)電壓是真正的柵 - 引腳電感上的壓降之和在源極電壓和測(cè)量點(diǎn)之間。測(cè)量點(diǎn)之間的引腳長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果和 SiC MOSFET芯片上的真正格柵-源極電壓差越大。

圖13 4pin圖片及等效示意圖

為了減少這種影響，探頭需要連接到設(shè)備引腳的根部，以最大限度地縮短測(cè)量點(diǎn)之間。 14 可此可見(jiàn)，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)位于引腳根部時(shí)，開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)波形振蕩幅值和振蕩頻率明顯降低，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)波形振蕩幅值也明顯降低。