如何选取SiC MOSFET的Vgs门极电压及其影响

作者： 张浩，文章来源： 英飞凌工业半导体微信公众号

在IGBT时代，门极电压的选择比较统一，无非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V这几档。而在新兴的SiC MOSFET领域，还未有约定俗成的门极电压规范。本文就SiC MOSFET的门极电压选择上的困惑，提供些有用的参考。

下文所述，主要以英飞凌工业1200V SiC MOSFET的M1H系列产品与应用为参考，其他不同电压等级或不同厂家的SiC产品，不尽相同。

在SiC产品的规格书中，都会有SiC Vgs电压范围和推荐电压区间(如图1所示)，以供大家在实际应用中参考。但是推荐非强制，关于Vgs的关断电压，既可0V，也可负压。

图1.IMBG120R030M1H规格书Vgs说明

备注1：今年(2022)新出的M1H单管系列，其门极Vgs电压的负压极值，从上述的-7V进一步扩展到-10V，使得客户的负压选取更加灵活，同时门极的AC BTI特性也得到大幅提升。

万变不离其宗，其实无论器件的门极电压范围如何变化，落实到应用层面：到底如何选取SiC门极电压？应该考虑哪些方面？性能与可靠性如何取舍？读罢此文，自然拨云见日。

1. SiC MOSFET的Vgs正压对Rdson和Esw的影响

以英飞凌工业1200V/M1H系列SiC单管为例，如图1所示，Vgs最高正压为23V，考虑5V余量，实际应用可选择15V或18V作为开通电压。

1.1 Vgs正压越高，其Rdson越小

工业1200V/M1H规格书Rdson标定值，皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V适之，则Rdson还会增加。举例：

Rdson=30mOhm@Vgs=+18V，

则Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。

1.2 Vgs正压越高，其Esw也越小(Eon)

为了更直观说明不同Vgs正压对Esw的影响，利用官网的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H)，搭建了简单的仿真电路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm)，如图2和图3所示，是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真结果。正压Vgs越高，其Eon越小。因此，对于开关频率高或者只有Eon或Eoff的软开关场合，犹需关注。

图2.不同Vgs正压(Vgs=18V和15V)，对SiC开关特性的影响(25C)

图3.不同Vgs正压(Vgs=18V和15V)，对SiC开关特性的影响(25C)

因此，如果选择正压15V驱动，相对18V而言，不仅会牺牲导通损耗(Rdson)，也会增加一些开关损耗(Eon)。当然15V驱动也有好处，受益于开通速度的降低，开通的overshoot有所改善，对于Vgs寄生导通会有一定帮助。

2. SiC MOSFET的Vgs负压对Rdson和Esw的影响

2.1 Vgs负压不同，其Rdson不变

2.2 Vgs负压越低，其Esw越低(Eoff)

同样，我们看下不同Vgs负压的仿真结果，如图4和图5所示：

图4.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V)，对SiC开关特性的影响(25C)

图5.不同Vgs负压(Vgs=0V和-3V)，对SiC开关特性的影响(25C)

因此，如果选择Vgs=-3V关断，对于SiC的Rdson无所助益，但是对关断损耗Eoff的减小还是比较明显的，尤其对一些只有关断损耗Eoff的场合收益明显。同时选择Vgs=-3V对降低开通时刻的寄生导通风险也是立竿见影。

那么，我们直接选择Vgs=+18V/-3V，岂不是皆大欢喜？

关于这个问题，其实没有标准答案：应用不同，答案不同，设计不同，答案也不同……

因为，在SiC器件的设计与应用中，除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外，可靠性和鲁棒性也是不可忽视的一部分。尤其是Vgs电压对短路特性和门极可靠性的影响。

3. SiC MOSFET的Vgs电压对短路特性的影响

承接上文的问题，为什么不能直接以Vgs=+18V/-3V，“放之四海而皆准”。

首先Vgs正压18V或15V直接关系到SiC的短路特性之有无，而有些应用又对器件短路能力刚需，则只能选择15V，而选择Vgs=18V则意味着器件失去了短路耐受能力。

与此同时，与IGBT的短路耐受类似，不同的母线电压也会影响其短路耐受时间。

一言以蔽之，SiC MOSFET的短路耐受能力，相比类似电流规格的IGBT要差很多。其实也不难理解，毕竟在MOSFET的Si时代，如英飞凌引以为傲的CoolMOS家族，都是没有短路耐受能力的，所谓的短路耐受只是IGBT应用的延续与遗产。

图6.SiC MOSFET的短路特性

关于为啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短，简而言之，就是电流大、面积小、热层薄导致的短路能量密度远超IGBT短路的情况(约20倍)，具体可参见下面的图7所述：

图7.SiC与IGBT的短路能量密度对比

4. SiC MOSFET的Vgs电压对门极可靠性的影响

继续承接上文的问题，讲完Vgs正压选取与短路特性之后，我们再看看Vgs关断负压与门极可靠性的问题。关于这个热门问题，英飞凌之前专门推出过一份内容详实堪称业界典范的白皮书，并且在不同场合和平台都给大家做过深入的剖析和讲解。核心内容，如图8所示：

图8.SiC门极氧化层可靠性挑战与英飞凌SiC可靠性白皮书简介

我们继续聊Vgs负压选取的问题，在常见的半桥拓扑中，大多存在由米勒电容和源极电感产生的Vgs尖峰，分别为开通时刻的overshoot和关断时刻的undershoot。

图9.SiC MOSFET门极Vgs的overshoot和undershoot示意图

Vgs的负压选取，既要overshoot不超过门槛电压Vgs.th，也要undershoot不超过Vgs.min限值。

5. 总 结

综上所述，选取合适的Vgs电压，除了参考规格书的推荐值之外，不仅要考虑对Rdson的变化，也要考虑对Esw的影响，同时要兼顾所在应用和设计中，对可靠性的相关要求，最终的Vgs电压值，一定是折衷与优化的结果，如图10所示。

图10.SiC驱动电压Vgs选取与评估的综合考量参考

古人云：水无常势、人无常形。授人以鱼不如授人以渔。

掌握Vgs电压的选取与评估的方法，远胜于人云亦云的所谓经验Vgs电压值。

审核编辑 黄宇