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SiC MOSFET驱动电压测试结果离谱的六大原因

开关特性是功率半导体开关器件最重要的特性之一,由器件在开关过程中的驱动电压、端电压、端电流表示。一般在进行器件评估时可以采用双脉冲测试,而在电路设计时直接测量在运行中的变换器上的器件波形,为了得到正确的结论,获得精准的开关过程波形至关重要。

【导读】开关特性是功率半导体开关器件最重要的特性之一,由器件在开关过程中的驱动电压、端电压、端电流表示。一般在进行器件评估时可以采用双脉冲测试,而在电路设计时直接测量在运行中的变换器上的器件波形,为了得到正确的结论,获得精准的开关过程波形至关重要。


SiC MOSFET 相较于 Si MOS 和 IGBT 能够显著提高变换器的效率和功率密度,同时还能够降低系统成本,受到广大电源工程师的青睐,越来越多的功率变换器采用基于 SiC MOSFET 的方案。SiC MOSFET 与 Si 开关器件的一个重要区别是它们的栅极耐压能力不同,Si 开关器件栅极耐压能力一般都能够达到 ±30V,而 SiC MOSFET 栅 极 正 压 耐 压 能 力 一 般 在 +20V 至+25V,负压耐压能力一般仅有 -3V 至 -10V。同时,SiC MOSFET 开关速度快,开关过程中栅极电压更容易发生震荡,如果震荡超过其栅极耐压能力,则有可能导致器件栅极可靠性退化或直接损坏。


很多电源工程师刚刚接触 SiC MOSFET 不久,往往会在驱动电压测量上遇到问题,即测得的驱动电压震荡幅值较大、存在与理论不相符的尖峰,导致搞不清楚是器件的问题还是电路设计的问题,进而耽误开发进度。


接下来我们将向您介绍 6 种由于测试问题而导致的驱动电压离谱的原因。


原因 1:高压差分探头衰减倍数过大


高压差分探头的为差分输入且输入阻抗高,在电源开发过程中一般都会选择它来测量驱动波形。有时在使用高压差分探头时获得的驱动波形显得非常粗,这往往是由于高压差分探头的衰减倍数过大导致的。衰减倍数大,高压差分探头的量程就大,使得分辨率大幅下降,同时示波器在还原信号时还会将噪声放大。此时就需要选择衰减倍数较小的高压差分探头或选择高压差分探头衰减比较小的档位。我们使用图 1 中的高压差分探头测量驱动电压,衰减倍数分别选择 50 倍和 500 倍,在下图中可以明显到 500倍衰减倍数下驱动波形非常粗。


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图 1. 示意图为泰克高压差分探头


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图 2. 50 倍与 500 倍衰减波形对比


原因 2:高压差分探头测量线未双绞


高压差分探头一般用于测量高压信号,为了使用安全及方便接线,其前端是两根接近 20cm的测量线。在进行测量时,可以将两根测量线看作为一个天线,会接收外界的磁场信号。而SiC MOSFET 的开关速度快,开关过程电流变化速率大,其产生的磁场穿过由高压差分探头测量线形成的天线时就会影响测量结果。为了降低这一影响,可以将高压差分探头的两根测量线进行双绞,尽量减小它们围成的面积。从图 4 中可以看到,在将测量线未双绞进行双绞后,驱动电压波形的震荡幅度明显降低了。


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图 3. 差分探头是否双绞


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图 4. 是否双绞的波形对比


原因 3:无源探头未进行阻抗匹配


无源探头衰减倍数小、带宽高,往往可以在双脉冲测试时用来获得更为精准的驱动电压波形。无源探头的等效电路如下所示,只有当其与示波器达到阻抗匹配时才能获得正确的波形。一般情况下,我们可以通过旋转无源探头尾部的旋钮调节电容来进行阻抗匹配调节,此外还有部分探头能够在示波器上完成自动补偿。


当驱动电压为 -4V/+15V 时,通过图 8 可以看到,是否正确补偿对测量结果有非常大的影响。当探头未进行阻抗匹配时,驱动波形振荡幅度明显变大,测量量值也更大,这将会导致对驱动电压的误判。当探头正确阻抗匹配时,驱动电压振幅更小,测量值与实际外加电压一致。


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图 6. 泰克无源探头


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图 7. 无源探头等效示意图


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图 8. 阻抗匹配与未阻抗匹配波形对比


原因 4:无源探头未使用最小环路测量


无源探头标配的接地线有接近 10cm 长,采用这样的接地线时,会出现同高压差分探头一样,即测量线围出一个很大的面积,成为一个天线,测量结果会受到 SiC MOSFET 开关过程中高速变化的电流的影响。同时,过长的接地线可以看做一个电感,也会导致震荡的产生。


为了降低这一影响,可以使用厂商标配的弹簧接地针,其长度短、围出的面积更小。从图 10 中可以看到,使用标配接地线时,驱动波形震荡严重,其峰值最大达到 xxV,超过了 SiC MOSFET栅极耐压能力;当使用弹簧接地针后,波形震荡大大减轻了,幅值均在 SiC MOSFET 栅极耐压能力范围内。


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图 9. 示波器自带长接地线、短弹簧地线


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图 10. 长接地线与短弹簧地线波形对比


原因 5:探头高频共模抑制比不够


对于桥式电路中的上管 SiC MOSFET,其 S 极为桥臂中点,其电压在电路工作时是跳变的。其跳变的幅度为电路的母线电压,对于 1200V SiC MOSFET 而言,母线电压为 800V;其跳变的速度为 SiC MOSFET 的开关速度,可达到 100V/ns。此时要测量上管的驱动电压,就需要面对这样高幅值、高速度跳变的共模电压。


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图 11. 泰克光隔离探头 ISOVu


从图 12 中可以看到,当采用常见的高压差分探头时,驱动波形振荡更大,在第一个脉冲内 Ton时间测量值偏低,在 Toff 时间内存在偏置,在第二个脉冲上升沿存在严重的震荡。这主要是由于高压差分探头在高频下的共模抑制比不够导致的,此时我们就需要使用具有更高共模抑制比的光隔离探头来测量上管驱动电压波形。


从图 12 中可以看到,当采用光隔离探头后,波形震荡明显减小,第二脉冲上升沿的严重震荡消失,在关断时间内电压测量值与实际外加电压接近。


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图 12. 光隔离探头与高压差分探头波形对比


原因 6:测量点离器件引脚根部过远


当我们测量驱动电压波形时,探头并不能直接接 触 到 SiC MOSFET 芯 片, 而 只 是 能 接 到 器件的引脚上。可以将器件的引脚看作为电感,那么我们实际测得的驱动电压为真实的栅 - 源极电压和测量点之间引脚电感上压降之和。那么,测量点之间引脚长度越长,测量结果与 SiC MOSFET芯片上真实的栅-源极电压差异越大。


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图 13. 4pin 的图片和等效示意图


为了降低这一影响,需要将探头接到器件引脚的根部,最大限度得缩短测量点之间引脚的长度。从图 14 中可以看到,当测量点位于引脚根部时,开通驱动波形振荡幅值及振荡频率明显减少,关断驱动波形振荡幅值也明显减少。


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图 14. 探头接引脚根部与远离根部


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图 15. 引脚根部与远离根部波形对比


了解泰克高差分探头https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/probes/high-voltage-differential-probes;了解泰克光隔离探头https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/probes/isovu-isolated-probes;泰克MSO5B示波器https://www.tek.com.cn/products/oscilloscopes/ 5-series-mso。


关于泰克科技


泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市,致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案,解决各种问题,释放洞察力,推动创新能力。70多年来,泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅,敬请登录:tek.com.cn




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