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如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串扰)?

  发布时间: 2022-06-15      浏览量:76
高压差分探头

  Crosstalk(串扰)

如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串扰)

  图1

  在图1的半桥电路中,动作管为下管S1,施加在上管S2的为关断驱动信号,其体二极管处于续流状态。当S1进行开通时,其端电压VDS1下降,则S2开始承受反向电压,其两端的电压VDS2以dV/dt的速度快速上升。那么dV/dt就会通过S2的Crss产生位移电流Irss=Crss*dV/dt,Irss会流入S2的驱动回路,对CGS充电,并在RG上产生压降。最终导致的结果就是S2的驱动电压被向上拉起,出现一个正向的尖峰,如果超过S2的Vth,则会导致误导通,轻则增加损耗,重则桥臂短路发生炸机。我们将这一过程称为正向Crosstalk。

如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串扰)

  图2

  S1依旧为动作管,只是这次它进行的是关断。此时整个过程与正向Crosstalk原理一样,只是电压和电流的变换方向相反,最终S2的驱动电压被向下拽,出现一个反向的尖峰。我们都知道SiC MOSFET栅极耐压能力很差,负向的尖峰会对其栅极造成损伤,影响SiC MOSFET的寿命或直接将其栅极击穿。我们将这一过程称为负向Crosstalk。

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  图3

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  图4

  其实无论是Si MOSFET还是IGBT都存在Crosstalk的问题,并不是SiC MOSFET特有的。但是SiC MOSFET开关速度更快、Vth偏小(一般在2.5V-4.5V)、栅极耐压能力较弱,这就使得Crosstalk对SiC MOSFET而言后果更加严重、处理起来更加困难。

  为了抑制Crosstalk,首先要做到的是测得准确的Crosstalk波形。但由于以下两大原因,使得工程师往往获得是错误的波形,常常导致一通操作猛如虎,实际效果两毛五。

  原因1:寄生参数影响

  在刚才讲解Crosstalk原理的时候,为了表达简洁,图1和图3中所给出的电路图是进行简化后的。当考虑很多存在的寄生参数后,我们得到图5中给出的等效电路。SiC MOSFET芯片上实际的驱动电压为VGS,而我们使用电压探头获得的是VGS-M。两者的区别是VGS-M不光包含了VGS,还包含了SiC MOSFET芯片栅极电阻RG(int)上的压降VRG和寄生电感L上的压降VL。导致这种情况发生的原因是电压探头无法直接接在SiC MOSFET的芯片上,只能接在器件封装的引脚上,则RG(int)和L都在测量点之间。

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  图5

  通过仿真结果可以看到,通过电压探头测量得到的Crosstalk波形都比实际发生的Crosstalk偏低,这就是说,由于寄生参数的影响,Crosstalk的严重程度被低估了。这就会导致以下两种情况:一是通过测量结果判断Crosstalk在可接受范围内,然而实际已经发生误导通;二是工程师费了很大功夫,看似将Crosstalk抑制住了,实际还差很远。由于RG(int)和L无法避免,也就是这种测量误差无法被消除,那么电源工程师在使用SiC MOSFET时就需要为Crosstalk留出足够的裕量。

  同时,测量结果与真实Crosstalk之间的差别会随着RG(int)和L的增大而增大,这就启示我们可以选择RG(int)的SiC MOSFET,同时在进行测量时尽量将探头接在器件引脚的根部,这样就可以尽量缩小误差。

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图6

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  图7

  原因2:未使用合适的电压探头

  在进行电源调试时,往往使用的是高压差分探头测量电压信号,其测量范围广、差分输入、高阻抗的特点深受电源工程是的喜爱。

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  图示为泰克高压差分探头

  但在测量Crosstalk波形时差分探头就不再适用了。首先Crosstalk的幅度范围在±10V以内,高压差分探头的衰减倍数大,这就导致测量误差大、噪声大。其次,高压差分探头前端的测量线很长,相当于一个天线,会接收到SiC MOSFET开关过程中快速变化的电流产生的干扰信号,从而影响测量结果。最后,高压差分探头前端的测量线可以看做是电感,容易使得测量结果中出现本不存在的震荡。

  从下边的实测结果中可以看到,使用高压差分探头测量得到的Crosstalk波形显得很粗,同时其震荡幅度很高,正向Crosstalk尖峰已经超过SiC MOSFET的Vth(3.5V),然而此时并未发生误导通,说明这样的测试结果是有问题的,同时负向Crosstalk尖峰也已经超过了SiC MOSFET栅极耐压极限(-10V)。而当使用光隔离探头得到的Crosstalk波形与使用高压差分探头的波形有着明显的区别,波形线条变细了,同时正向和负向Crosstalk尖峰都在可接受范围之内。这主要得益于光隔离探头可以选择更小的衰减倍数,同时其探头前段与器件的连接可实现最小环路连接。

 

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图8

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图9

  以上是测量下管Crosstalk的波形,那么当我们需要测量上管Crosstalk的时候,情况又会如何呢。从下边的实测波形可以看出,使用高压差分探头得到的波形更加离谱了,其震荡的幅度超过了正向10V反向20V,而使用光隔离探头测得的波形依然在可接受范围之内,这主要得益于光隔离探头极佳的高频共模抑制比。

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  图10

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  图11

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  图示为泰克ISOVu新一代光隔离探头

  由此可见,高压差分探头并不合适用于测量Crosstalk,得到错误的波形会对电路设计造成误导,浪费工程师的时间和精力。而选择光隔离探头可以获得准确的波形,无论是测量下管还是上管,都有非常优异的表现。

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