一種SIC MOSFET的負壓驅動電路的設計

蹇治權

摘要：寬禁帶半導體功率器件SIC MOSFET與SI MOSFET在特定的工作條件下會表現出不同的特性，其中重要的一環是SIC MOSFET在長期的門極電應力下會產生閾值電壓Vgs漂移現象。本文提出一種新型的SIC MOSFET的驅動電路，對SIC MOSFET通過負壓進行關斷來限制SIC MOSFET閾值漂移現象，通過實驗驗證該電路具備有效性。

關鍵詞：SIC MOSFET? 閾值漂移 驅動電路

1 Vgs漂移現象及器影響

由于寬禁帶半導體SIC材料的固有特性，以及不同于SI材料的半導體氧化界面特性，會引起閾值電壓變化以及漂移現象。SIC MOSFET產生閾值偏移的主要影響包括以下兩個方面：

1.增加導通損耗，降低使用壽命

SIC MOSFET的閾值漂移主要的影響是會增加Rdson。同時Rdson的增加會導致開關器件的導通損耗增加，進而升高結溫。額外結溫的增加是否需要取決于實際的運行工況，在某些特定的條件下，額外的結溫會給整個系統帶來較大風險。

2.增加誤導通風險

在某些條件下SIC MOSFET的門極閾值電壓可能會偏移降至2V及以下，驅動電路的一點擾動則可能會導致開關器件的導通造成系統的損壞。

2 Vgs漂移現象產生的原因

在SIC MOSFET的運行過程中，產生門極閾值電壓漂移的原因主要是以下幾個方面：

1.靜態門極偏移

靜態門極偏移受到SIC半導體材料本身特性以及生產工藝的影響，會導致門極閾值出現漂移現象。同時，針對SI器件的閾值標準測試流程并不適用于SIC材料，需要使用一種新的測試方法用于評估SIC MOSFET的特性。

2.運行工況

SIC MOSFET的閾值電壓也會因為器件的開關運行的工況額產生額外的漂移，此額外的漂移只能通過長期的開關測試才能被觀測到。影響閾值漂移的參數主要包括器件的開關次數和驅動電壓。

SIC MOSFET驅動電路

驅動電路的性能直接影響大功率 SiC MOSFET 的開關行為和通態特性，驅動電路方案與參數的選擇必須與器件的特性相匹配，才能保證器件安全、可靠、高效地運行。柵極驅動條件密切地關系到器件的靜態特性和動態特性，包括柵極的正負柵壓和柵極電阻等，對SiC MOSFET 的導通電阻、開關時間、開關損耗、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壓SICMOSFET驅動電路，能有效解決SIC MOSFET的閾值電壓漂移問題。圖1為本文設計的高效可靠的隔離驅動電路，隔離驅動電源采用金升陽SIC專用驅動電源可提供+15V/-5V的正負驅動電壓，驅動IC采用英飛凌公司的SIC MOSFET專用驅動芯片，可輸出高達10A的峰值驅動電流。驅動電路實現了控制電路與功率電路之間的電氣隔離，提高了電路系統的可靠性和抗干擾能力。

圖2 3 4為驅動器占空比D分別為50%，80%，30%的實測波形，驅動器采用-5V/+18V的驅動電壓，驅動電阻Rg為5Ω。

結論

SIC材料作為新型寬禁帶半導體材料，其性能與常規的SI材料相比不但擊穿電場強度高，熱穩定好，還具有載流子飽和漂移速度高，熱導率高等優勢。同時，由于SIC材料本身的特性，會存在門極閾值電壓偏移的問題，本文提出的一種新型負壓驅動電路。通過實驗驗證，該驅動電路能對SIC MOSFET進行負壓關斷，保障系統運行的可靠性。

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