蹇治權(quán)

摘要：寬禁帶半導(dǎo)體功率器件SIC MOSFET與SI MOSFET在特定的工作條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的特性，其中重要的一環(huán)是SIC MOSFET在長(zhǎng)期的門極電應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生閾值電壓Vgs漂移現(xiàn)象。本文提出一種新型的SIC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)SIC MOSFET通過(guò)負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷來(lái)限制SIC MOSFET閾值漂移現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該電路具備有效性。

關(guān)鍵詞：SIC MOSFET? 閾值漂移 驅(qū)動(dòng)電路

1 Vgs漂移現(xiàn)象及器影響

由于寬禁帶半導(dǎo)體SIC材料的固有特性，以及不同于SI材料的半導(dǎo)體氧化界面特性，會(huì)引起閾值電壓變化以及漂移現(xiàn)象。SIC MOSFET產(chǎn)生閾值偏移的主要影響包括以下兩個(gè)方面：

1.增加導(dǎo)通損耗，降低使用壽命

SIC MOSFET的閾值漂移主要的影響是會(huì)增加Rdson。同時(shí)Rdson的增加會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通損耗增加，進(jìn)而升高結(jié)溫。額外結(jié)溫的增加是否需要取決于實(shí)際的運(yùn)行工況，在某些特定的條件下，額外的結(jié)溫會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

2.增加誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)

在某些條件下SIC MOSFET的門極閾值電壓可能會(huì)偏移降至2V及以下，驅(qū)動(dòng)電路的一點(diǎn)擾動(dòng)則可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通造成系統(tǒng)的損壞。

2 Vgs漂移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

在SIC MOSFET的運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生門極閾值電壓漂移的原因主要是以下幾個(gè)方面：

1.靜態(tài)門極偏移

靜態(tài)門極偏移受到SIC半導(dǎo)體材料本身特性以及生產(chǎn)工藝的影響，會(huì)導(dǎo)致門極閾值出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。同時(shí)，針對(duì)SI器件的閾值標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程并不適用于SIC材料，需要使用一種新的測(cè)試方法用于評(píng)估SIC MOSFET的特性。

2.運(yùn)行工況

SIC MOSFET的閾值電壓也會(huì)因?yàn)槠骷拈_(kāi)關(guān)運(yùn)行的工況額產(chǎn)生額外的漂移，此額外的漂移只能通過(guò)長(zhǎng)期的開(kāi)關(guān)測(cè)試才能被觀測(cè)到。影響閾值漂移的參數(shù)主要包括器件的開(kāi)關(guān)次數(shù)和驅(qū)動(dòng)電壓。

SIC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的性能直接影響大功率 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)行為和通態(tài)特性，驅(qū)動(dòng)電路方案與參數(shù)的選擇必須與器件的特性相匹配，才能保證器件安全、可靠、高效地運(yùn)行。柵極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到器件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，包括柵極的正負(fù)柵壓和柵極電阻等，對(duì)SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、短路承受能力、di/dt 以及 dv/dt 等都有不同程度的影響，本文提出一種新型的負(fù)壓SICMOSFET驅(qū)動(dòng)電路，能有效解決SIC MOSFET的閾值電壓漂移問(wèn)題。圖1為本文設(shè)計(jì)的高效可靠的隔離驅(qū)動(dòng)電路，隔離驅(qū)動(dòng)電源采用金升陽(yáng)SIC專用驅(qū)動(dòng)電源可提供+15V/-5V的正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)IC采用英飛凌公司的SIC MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片，可輸出高達(dá)10A的峰值驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了控制電路與功率電路之間的電氣隔離，提高了電路系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

圖2 3 4為驅(qū)動(dòng)器占空比D分別為50%，80%，30%的實(shí)測(cè)波形，驅(qū)動(dòng)器采用-5V/+18V的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電阻Rg為5Ω。

結(jié)論

SIC材料作為新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，其性能與常規(guī)的SI材料相比不但擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定好，還具有載流子飽和漂移速度高，熱導(dǎo)率高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于SIC材料本身的特性，會(huì)存在門極閾值電壓偏移的問(wèn)題，本文提出的一種新型負(fù)壓驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)電路能對(duì)SIC MOSFET進(jìn)行負(fù)壓關(guān)斷，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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