第四代SiC MOSFET半桥评估板使用指南与设计要点

一、引言

在电子设计领域，SiC MOSFET凭借其在高压、高电流处理方面的卓越性能，成为了众多工程师关注的焦点。为了更方便地评估第四代SiC MOSFET的性能，ROHM推出了TO - 247N(-4L)半桥评估板。本文将围绕该评估板的使用、设计要点以及注意事项进行详细介绍。

文件下载：P04SCT4018KE-EVK-001.pdf

二、评估板概述

2.1 适用范围

该评估板主要用于评估第四代SiC MOSFET（P04SCT4018KE - EVK - 001、P05SCT4018KR - EVK - 001），不过也可用于评估其他TO - 247N或TO - 247 - 4L封装的器件，但需根据器件特性调整栅极驱动电路常数。

2.2 安全注意事项

在使用评估板前，一定要严格遵守相关的安全注意事项。由于评估板会产生危及生命的电压，使用前要确保无零件损坏或缺失、无导电物体落在板上、无冷凝水或水滴等。通电时，要防止导电物体接触板子，避免用手触摸，注意防止过压导致零件爆炸和散射。使用后，要对存储高压的电路进行放电，并注意避免接触过热的组件导致烫伤。

三、评估板关键设计与使用要点

3.1 LED显示

评估板配备了多个LED，用于监测板子的运行状态。例如，HV alive红色LED在高压电源HVdc有20V及以上电压时亮起；+5V_ON绿色LED在正常运行且控制电源（+12V）输出时亮起；HS_Vcc2_ON和LS_Vcc2_ON绿色LED在栅极驱动隔离电源正常上升时亮起。通过观察这些LED的状态，工程师可以快速了解评估板的工作情况。

3.2 连接器引脚分配

评估板的连接器引脚分配明确，不同的引脚有不同的功能。例如，CN1用于H侧信号输入，CN101用于L侧信号输入，CN201用于控制电源连接等。了解这些引脚的定义和功能，对于正确连接外部设备和进行评估至关重要。

3.3 栅极驱动电压设置

3.3.1 正偏置调整

栅极驱动电压由板载的隔离反激式电源提供。通过旋转可变电阻RV51和RV151，可以调整LDO的输出电压，从而改变MOSFET的驱动电压（正偏置）VCC2，顺时针旋转可变电阻可增加输出电压。

3.3.2 负偏置调整

负偏置VEE2可通过变压器TX1和TX101的负输出，由分流调节器SR1和SR101以及可变电阻RV51和RV151进行调整，范围为 - 4.5V至 - 2V。通过JP51和JP151引脚可以选择零偏置或VEE2偏置。

3.4 栅极电阻设置

为了调整MOSFET的开关速度，评估板设置了栅极电阻。通过连接二极管D52和D152，可以分别调整导通和关断的开关速度。在默认设置下，导通和关断调整电阻的电路配置相同，但如果需要分别设置导通和关断的开关速度，可以通过安装R56等方式实现。

3.5 栅源电压测量

评估板在H侧和L侧DUT的栅极端子附近有CX51和CX151图案，通过安装连接器，可以使用光隔离探头进行栅源电压测量，有效去除共模噪声干扰，获得更准确的波形。

3.6 器件电流测量

3.6.1 Rogowski型电流探头测量

评估板在HS和L侧各有一个通孔（无电镀）和一个缺口，可使用Rogowski型电流探头轻松测量每个器件的电流。H侧可测量漏极引脚的电流，L侧可测量电源侧的电流。

3.6.2 同轴型分流电阻测量

与Rogowski型电流探头相比，同轴型分流电阻可以测量ns级的电流上升，适用于观察开关特性。评估板的布局允许使用同轴型分流电阻进行测量，通过移除R321并焊接同轴型分流电阻，可以测量下臂DUT的源极电流。

3.7 散热器安装

当使用评估板进行数kW的功率转换时，由于器件本身的功耗可达数十瓦，因此需要安装散热器进行冷却。器件应安装在焊接面，DUT布局在同一侧，以便将换向器件也安装在同一个散热器上。

四、评估板连接示例

4.1 双脉冲测试

4.1.1 H侧MOSFET双脉冲测试

连接脉冲发生器，将CLK信号连接到IN_HCLK引脚，控制电源12V连接到Vcc引脚，高压HVdc电源连接到HVdc引脚。按照先+12V后HVdc的顺序开启电源，输入脉冲信号。可通过公式(ID(PEAK) approx HVdc / L^{*} T{DP_TTL }[A])大致计算电感中流过的最大电流。

4.1.2 L侧MOSFET双脉冲测试

连接方式与H侧类似，将外部CLK信号连接到IN_L_CLK引脚，后续操作与H侧相同。

4.2 升压电源电路

连接脉冲发生器、控制电源、负载电感、高压HVdc电源和电子负载。按照先开启+12V电源，设置开关频率和占空比并输入CLK信号，再开启HVdc电源，最后用电子负载调整输出电流的顺序进行操作。在CCM模式下，输出电压约为(Vout = Vin / (1 - Duty))；在电感电流不连续时，输出电压会与占空比不成比例增加，需注意逐渐增加输入电压并关注输出电压值。

4.3 两电平逆变器电路

连接脉冲发生器、控制电源、负载电感和两个串联的高压HVdc电源，以及平滑电容和交流负载。按照先开启+12V电源，设置开关频率和占空比并输入CLK信号，再开启HVdc电源，最后用交流负载调整输出电流的顺序进行操作。通过控制CLK信号的占空比，可以输出正弦电压。

4.4 同步整流型降压电源电路

连接脉冲发生器、控制电源、高压HVdc电源、负载电感、平滑电容和负载。操作顺序与升压电源电路类似。在CCM模式下，输出电压约为(Vout = Duty * Vin)；在DCM模式下，输出电压等于输入电压，需注意电子负载设备的耐压。同时，要确保IN_H_CLK和IN_L_CLK信号之间有足够的死区时间，防止H侧和L侧MOSFET同时导通。

五、其他电路设计

5.1 缓冲电路

评估板包含一个非放电型RCD缓冲电路，用于抑制MOSFET的关断浪涌。该电路适用于高频开关电路，其电阻消耗的功率(P{SNB}=frac{L{MAIN} × I{MAIN}^{2} × f{SW}}{2})，缓冲电容的电容值(C{SNB}=frac{L{MAIN} × I{MAIN}^{2}}{V{SURGE}^{2}-V{HVdc}^{2}})，电阻值(R{SNB}{SNB} × ln left[left(V{SURGE }-V{SNB}right) /left(V{SURGE}right)right]} × frac{1}{f_{sw}})。通过双脉冲测试验证，该缓冲电路可有效降低VDS关断浪涌。

5.2 栅源信号保护电路

评估板内置了保护电路，用于吸收MOSFET栅源引脚产生的浪涌电压。该保护电路具有正浪涌抑制、负浪涌抑制、自导通防止和增加GS间电容等功能。通过合理布局这些保护电路，可以有效抑制VGS浪涌电压，提高评估板的可靠性。

六、注意事项

在使用评估板时，要注意避免各种可能的故障。例如，检查LED是否正常亮起以确认电压和布线情况；严格禁止施加超过规定值的电压，避免接线错误；注意Vcc的接线和电压设置，防止反向电压；小心处理MLCC，避免因机械应力导致短路故障；避免连续施加CLK信号导致DUT损坏；操作前检查DUT的栅源短路情况，防止损坏驱动IC。

在电子设计中，每一个细节都可能影响到整个系统的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助工程师更好地使用ROHM的第四代SiC MOSFET半桥评估板，在实践中不断探索和优化设计。你在使用评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。