蹇治權(quán)

摘要：寬禁帶半導體功率器件SIC MOSFET與SI MOSFET在特定的工作條件下會表現(xiàn)出不同的特性，其中重要的一環(huán)是SIC MOSFET在長期的門極電應(yīng)力下會產(chǎn)生閾值電壓Vgs漂移現(xiàn)象。本文提出一種新型的SIC MOSFET的驅(qū)動電路，對SIC MOSFET通過負壓進行關(guān)斷來限制SIC MOSFET閾值漂移現(xiàn)象，通過實驗驗證該電路具備有效性。

關(guān)鍵詞：SIC MOSFET? 閾值漂移 驅(qū)動電路

1 Vgs漂移現(xiàn)象及器影響

由于寬禁帶半導體SIC材料的固有特性，以及不同于SI材料的半導體氧化界面特性，會引起閾值電壓變化以及漂移現(xiàn)象。SIC MOSFET產(chǎn)生閾值偏移的主要影響包括以下兩個方面：

1.增加導通損耗，降低使用壽命

SIC MOSFET的閾值漂移主要的影響是會增加Rdson。同時Rdson的增加會導致開關(guān)器件的導通損耗增加，進而升高結(jié)溫。額外結(jié)溫的增加是否需要取決于實際的運行工況，在某些特定的條件下，額外的結(jié)溫會給整個系統(tǒng)帶來較大風險。

2.增加誤導通風險

在某些條件下SIC MOSFET的門極閾值電壓可能會偏移降至2V及以下，驅(qū)動電路的一點擾動則可能會導致開關(guān)器件的導通造成系統(tǒng)的損壞。

2 Vgs漂移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

在SIC MOSFET的運行過程中，產(chǎn)生門極閾值電壓漂移的原因主要是以下幾個方面：

1.靜態(tài)門極偏移

靜態(tài)門極偏移受到SIC半導體材料本身特性以及生產(chǎn)工藝的影響，會導致門極閾值出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。同時，針對SI器件的閾值標準測試流程并不適用于SIC材料，需要使用一種新的測試方法用于評估SIC MOSFET的特性。

2.運行工況

SIC MOSFET的閾值電壓也會因為器件的開關(guān)運行的工況額產(chǎn)生額外的漂移，此額外的漂移只能通過長期的開關(guān)測試才能被觀測到。影響閾值漂移的參數(shù)主要包括器件的開關(guān)次數(shù)和驅(qū)動電壓。

SIC MOSFET驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的性能直接影響大功率 SiC MOSFET 的開關(guān)行為和通態(tài)特性，驅(qū)動電路方案與參數(shù)的選擇必須與器件的特性相匹配，才能保證器件安全、可靠、高效地運行。柵極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到器件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，包括柵極的正負柵壓和柵極電阻等，對SiC MOSFET 的導通電阻、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、短路承受能力、di/dt 以及 dv/dt 等都有不同程度的影響，本文提出一種新型的負壓SICMOSFET驅(qū)動電路，能有效解決SIC MOSFET的閾值電壓漂移問題。圖1為本文設(shè)計的高效可靠的隔離驅(qū)動電路，隔離驅(qū)動電源采用金升陽SIC專用驅(qū)動電源可提供+15V/-5V的正負驅(qū)動電壓，驅(qū)動IC采用英飛凌公司的SIC MOSFET專用驅(qū)動芯片，可輸出高達10A的峰值驅(qū)動電流。驅(qū)動電路實現(xiàn)了控制電路與功率電路之間的電氣隔離，提高了電路系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

圖2 3 4為驅(qū)動器占空比D分別為50%，80%，30%的實測波形，驅(qū)動器采用-5V/+18V的驅(qū)動電壓，驅(qū)動電阻Rg為5Ω。

結(jié)論

SIC材料作為新型寬禁帶半導體材料，其性能與常規(guī)的SI材料相比不但擊穿電場強度高，熱穩(wěn)定好，還具有載流子飽和漂移速度高，熱導率高等優(yōu)勢。同時，由于SIC材料本身的特性，會存在門極閾值電壓偏移的問題，本文提出的一種新型負壓驅(qū)動電路。通過實驗驗證，該驅(qū)動電路能對SIC MOSFET進行負壓關(guān)斷，保障系統(tǒng)運行的可靠性。

參考文獻

[1] 寧圃奇， 李磊， 溫旭輝，等. SiC MOSFET 和 Si IGBT 的結(jié)溫特性及結(jié)溫監(jiān)測方法研究[J]. 大功率變流技術(shù)， 2016（5）：65-70.

[2] 碳化硅 SiC 元件 2023 年產(chǎn)業(yè)規(guī)模達 14 億美元[J].半導體信息，2018（04）：31-32.

[3] 劉皓.有軌電車全 SiC 輔助變流器設(shè)計與研究[D].2018

[4] 曾正， 邵偉華， 胡博容， 陳昊， 廖興林， 陳文鎖， 李輝， 冉立.SiC 器件在光伏逆變器中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].中國電機工程學報，2017，37（01）：221-233.

[5] 國內(nèi)首條 SiC 智能功率模塊生產(chǎn)線在廈門正式投產(chǎn)[J].半導體信息，2018（05）：34-36.

[6] Kraus R， Castellazzi A. A Physics-Based Compact Model of SiC Power MOSFETs[J].

IEEE Transactions on Power Electronics， 2016， 31（8）：5863-5870.