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英飛凌門極驅(qū)動(dòng)正壓對(duì)功率半導(dǎo)體性能影響
2023-12-22 289次

對(duì)于半導(dǎo)體功率器件來說,門極電壓的取值對(duì)器件特性影響很大。以前曾經(jīng)聊過門極負(fù)壓對(duì)器件開關(guān)特性的影響,而今天我們來一起看看門極正電壓對(duì)器件的影響。文章將會(huì)從導(dǎo)通損耗,開關(guān)損耗和短路性能來分別討論。

 

  1,對(duì)導(dǎo)通損耗的影響

  無論是MOSFET還是IGBT,都是受門極控制的器件。在相同電流的條件下,一般門極電壓用得越高,導(dǎo)通損耗越小。因?yàn)殚T極電壓越高意味著溝道反型層強(qiáng)度越強(qiáng),由門極電壓而產(chǎn)生的溝道阻抗越小,流過相同電流的壓降就越低。不過器件導(dǎo)通損耗除了受這個(gè)門極溝道影響外,還和芯片的厚度有很大的關(guān)系,一般越薄的導(dǎo)通損耗越小,所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導(dǎo)通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會(huì)越厚,導(dǎo)通損耗就會(huì)變大。這種由芯片厚度引起的導(dǎo)通損耗不受門極電壓影響,所以器件耐壓越高,門極電壓即使進(jìn)一步增大對(duì)導(dǎo)通損耗貢獻(xiàn)是有限的。

  我們從器件的規(guī)格書中很容易得到這個(gè)結(jié)論,如圖1的a、b分別是一個(gè)IGBT器件IKW40N120CS7的輸出特性曲線。在相同的IC電流下,門極電壓越高,對(duì)應(yīng)的輸出線越陡,VCE飽和壓降越小。但是門極電壓大于15V后,即使門極電壓再升高,VCE飽和壓降變小得不多了。所以IGBT選用15V驅(qū)動(dòng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

  

 

1a 25℃下IGBT典型

 

 

  輸出特性曲線

  

 

1b 175℃下IGBT典型

 

 

  輸出特性曲線

  SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗表現(xiàn)相類似,如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。相比于圖1的橫坐標(biāo),圖2的電壓跨度更大,也就是說SiC MOSFET適合門極電壓更高(比如18V),導(dǎo)通損耗更小,獲益更大。但是考慮門極氧化層的可靠性,使用電壓一般不會(huì)超過20V,英飛凌1200V的SiC MOSFET建議使用電壓為18V。

  

 

  圖2a 25℃下SiC典型



  輸出特性曲線

  

 

2b 175℃下SiC典型

 

 

  輸出特性曲線

  綜合以上兩者特性來說,1200V的IGBT一般在15V以后,變化不明顯,而1200V的SiC MOSFET則變化大,如圖3。這主要是因?yàn)閷?duì)于1200V等級(jí)的SiC MOSFET來說,溝道電阻所占比重較大,而減小溝道電阻的有效手段就是提高門極電壓。

  

 

3 1200V的IGBT和SiC MOSFET導(dǎo)通壓降比較

 

 

  2,對(duì)開關(guān)損耗的影響

  另外,門極的正壓對(duì)降低開關(guān)損耗也是有幫助的。因?yàn)殚_通的過程相當(dāng)于一個(gè)對(duì)門極電容充電的過程,初始電壓越大,充電越快,一般來說開通損耗越小。而關(guān)斷損耗則受門極負(fù)壓影響,幾乎不受門極正電壓影響。我們利用了雙脈沖平臺(tái)進(jìn)行開關(guān)波形的測(cè)試。圖4是SiC MOSFET的開關(guān)損耗在不同門極電壓和不同IC電流下的表現(xiàn)。圖5是IGBT的開通損耗。而由于SiC MOSFET的開關(guān)損耗絕對(duì)值比IGBT要小得多,所以從開關(guān)損耗降低的比例來看,SiC MOSFET效果更明顯。

  

 

4 SiC MOSFET的開關(guān)損耗

  

 

5 IGBT的開關(guān)損耗

 

  3,對(duì)短路時(shí)間的影響

  凡事有得有失,雖然門極電壓高對(duì)導(dǎo)通損耗和開通損耗都好,但是會(huì)犧牲短路性能。下式為MOSFET短路電流的理論公式,IGBT短路行為與MOSFET類似。式中μn為電子的遷移速率,Cox為單位面積柵氧化層電容,W/L為氧化層寬長(zhǎng)比,Vgs為驅(qū)動(dòng)正電壓,Vth為門極閾值電壓。從式中可以看出,門極正電壓越大,電流會(huì)明顯上升。

  

 

  比如IGBT在門極電壓15V下有10μs的短路能力,但在門極16V時(shí),短路能力會(huì)下降到7μs不到,如圖6。對(duì)SiC MOSFET而言,相同電流的芯片面積小得多,且可能工作在更高的母線電壓導(dǎo)致短路瞬態(tài)能量更大,如果門極電壓超過15V,甚至?xí)ザ搪纺褪苣芰Α?/span>

  

 

6 IGBT短路能力和門極電壓的關(guān)系

 

 

  無論對(duì)IGBT還是SiC MOSFET來說,使用的門極正電壓越高,導(dǎo)通損耗和開通損耗都會(huì)降低,對(duì)整體開關(guān)效率有利。但是會(huì)影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時(shí)不需要短路能力的話,建議適當(dāng)提高門極的正電壓。

 

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