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        英飛凌門極驅動正壓對功率半導體性能影響
        2023-12-22 163次

        對于半導體功率器件來說,門極電壓的取值對器件特性影響很大。以前曾經聊過門極負壓對器件開關特性的影響,而今天我們來一起看看門極正電壓對器件的影響。文章將會從導通損耗,開關損耗和短路性能來分別討論。

         

          1,對導通損耗的影響

          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,導通損耗越小。因為門極電壓越高意味著溝道反型層強度越強,由門極電壓而產生的溝道阻抗越小,流過相同電流的壓降就越低。不過器件導通損耗除了受這個門極溝道影響外,還和芯片的厚度有很大的關系,一般越薄的導通損耗越小,所以同等芯片面積下寬禁帶的器件導通損耗要小得多。而相同材料下耐壓越高的器件就會越厚,導通損耗就會變大。這種由芯片厚度引起的導通損耗不受門極電壓影響,所以器件耐壓越高,門極電壓即使進一步增大對導通損耗貢獻是有限的。

          我們從器件的規格書中很容易得到這個結論,如圖1的a、b分別是一個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,對應的輸出線越陡,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驅動是一個不錯的選擇。

          

         

        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的導通損耗表現相類似,如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。相比于圖1的橫坐標,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。這主要是因為對于1200V等級的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導通壓降比較

         

         

          2,對開關損耗的影響

          另外,門極的正壓對降低開關損耗也是有幫助的。因為開通的過程相當于一個對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。而關斷損耗則受門極負壓影響,幾乎不受門極正電壓影響。我們利用了雙脈沖平臺進行開關波形的測試。圖4是SiC MOSFET的開關損耗在不同門極電壓和不同IC電流下的表現。圖5是IGBT的開通損耗。而由于SiC MOSFET的開關損耗絕對值比IGBT要小得多,所以從開關損耗降低的比例來看,SiC MOSFET效果更明顯。

          

         

        4 SiC MOSFET的開關損耗

          

         

        5 IGBT的開關損耗

         

          3,對短路時間的影響

          凡事有得有失,雖然門極電壓高對導通損耗和開通損耗都好,但是會犧牲短路性能。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為氧化層寬長比,Vgs為驅動正電壓,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,短路能力會下降到7μs不到,如圖6。對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致短路瞬態能量更大,如果門極電壓超過15V,甚至會失去短路耐受能力。

          

         

        6 IGBT短路能力和門極電壓的關系

         

         

          無論對IGBT還是SiC MOSFET來說,使用的門極正電壓越高,導通損耗和開通損耗都會降低,對整體開關效率有利。但是會影響器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET時不需要短路能力的話,建議適當提高門極的正電壓。

         

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