【導(dǎo)讀】如下圖1是今年英飛凌新推出的一顆TO-247-3封裝的1200V/45m?的SiC MOSFET單管。假定該器件焊到PCB后，其管腳到器件內(nèi)部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數(shù)如下圖所示，其中VD1_Q1、VG1_Q1和VS2_Q1表示器件Q1外部管腳測到的信號，VD0_Q1、VG0_Q1和VS0_Q1表示器件Q1內(nèi)部芯片的信號，芯片Q1內(nèi)包含寄生電阻Rgint=4?。
特別提醒
仿真只是工具，仿真無法替代實驗，仿真只供參考，一 切以實際測量為準(zhǔn)。
研發(fā)不僅是腦力活，也是體力活，搞過電力電子的同學(xué)想必深有體會。
如果大家山重水復(fù)于研發(fā)日常的擰螺絲、焊板子、測電路、打波形、調(diào)參數(shù)、堆代碼、寫文檔，不妨打開手機，進入英飛凌公眾號，隨我們一起看看仿真世界里的柳暗花明。
因此，英飛凌官網(wǎng)上線了全線SiC單管的SPICE模型，以便大家在實驗之余，利用SIMetrix或LTsipce等工具進行器件應(yīng)用的相關(guān)仿真。
這一次，我們將利用SIMetrix SPICE仿真，一窺SiC單管的開關(guān)瞬間。
如下圖1是今年英飛凌新推出的一顆TO-247-3封裝的1200V/45m?的SiC MOSFET單管。假定該器件焊到PCB后，其管腳到器件內(nèi)部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數(shù)如下圖所示，其中VD1_Q1、VG1_Q1和VS2_Q1表示器件Q1外部管腳測到的信號，VD0_Q1、VG0_Q1和VS0_Q1表示器件Q1內(nèi)部芯片的信號，芯片Q1內(nèi)包含寄生電阻Rgint=4?。
圖1 SiC單管及其內(nèi)部雜散參數(shù)(僅供參考)
為了研究該SiC MOSFET單管的開關(guān)瞬間特性，我們搭建了雙脈沖仿真電路，如下圖2：
圖2 SiC單管雙脈沖仿真電路
Q1/Q2皆為上述SiC MOSFET單管，其中下管Q2進行雙脈沖開關(guān)，上管Q1維持關(guān)斷電平。驅(qū)動部分的默認(rèn)設(shè)置為VGS=+15V/0V，Rgon=2?，Rgoff=2?。
鑒于器件內(nèi)部寄生參數(shù)的客觀存在，在器件管腳處測得的信號不能真實反映芯片內(nèi)部的電壓變化，以下管Q2開關(guān)為例，如下圖3所示：
圖3 下管Q2的器件參數(shù)與驅(qū)動電路
從器件外部管腳測到的VGS電壓為綠色的“VG1_Q2-VS2_Q2”，而器件內(nèi)部芯片的VGS電壓為藍(lán)色的“VG0_Q2-VS0_Q2”，顯然，兩者波形是有所差異的，如下圖4和圖5：
圖4 Q2開通時的器件內(nèi)外的柵極電壓
圖5 Q2關(guān)斷時的器件內(nèi)外的柵極電壓
究其原因，則是柵極與源極之雜散電感作祟，尤以源極處為甚，具體如圖6：
其中，綠色為外部柵極電壓(VG1_Q2-VS2_Q2)，藍(lán)色為芯片柵極電壓(VG0_Q2-VS0_Q2)，紅色為芯片+柵極電感的柵極電壓(VG1_Q2-VS0_Q2)，而藍(lán)色與紅色差異很小。所以，在器件外部看到的柵極電壓振蕩，主要來自源極電感的影響。
圖6 不同位置門極電壓VGS
因此，后續(xù)分析將重點聚焦芯片內(nèi)部之不可測的柵極電壓，而非管腳處之可測非真實者。
下管Q2雙脈沖動作時，觀測上管Q1的相關(guān)波形，如下圖7所示：
圖7 下管Q2開通瞬間的上管Q1波形
可以看到，在Q2開通瞬間，Q1在器件外部管腳VGS(綠色: VG1_Q1-VS2_Q1)和芯片VGS(藍(lán)色: VG0_Q1-VS0_Q1)的差異很大，這是為什么呢？
為了便于分析，我們抓取了Q1的電流Id_Q1(電流正方向: 紅色方向)和芯片的柵漏極電壓(米勒電壓: VD0_Q1-VG0_Q1)，以及源極電感電壓(紅色: VS0_Q1-VS2_Q1)，如下圖8所示；
圖8 器件內(nèi)外VGS電壓、源極電感電壓、源極電流與米勒電壓的波形(3pin)
如上：Q1內(nèi)部的芯片VGS電壓，是源極電感的電壓激勵源和米勒電容處的電流激勵源，兩者共同影響的結(jié)果。其中：由米勒電壓(藍(lán)色: VD0_Q1-VG0_Q1)產(chǎn)生的米勒電流，會抬高Q1柵極電壓以增加寄生導(dǎo)通的風(fēng)險，其影響是單調(diào)的；而源極電感電壓(VS0_Q1-VS2_Q1)會呈現(xiàn)先正后負(fù)的突變特性，是因為源極電流Id_Q1在續(xù)流和反向恢復(fù)階段的電流di/dt極性突變，其前半部分對Q1內(nèi)部柵極電壓(藍(lán)色: VG0_Q1-VS0_Q1)有明顯的抑制作用，而后半部分則反之。
那么，在這個仿真Case(實際應(yīng)用不一定)中，源極電感or米勒電容，兩者影響孰輕孰重呢？
為了研究Q1源極電感的影響，我們維持Q2所有配置不變，以保證相同的開關(guān)速度，以及Q1處的dv/dt和di/dt不變，只將Q1器件外部的源極直接連到芯片源極，以屏蔽其對Q1驅(qū)動回路的影響，類似TO-247-4pin的原理，其他參數(shù)不變，得到仿真波形，如下圖9所示：(此時Q1是否寄生導(dǎo)通只有米勒電容的影響)
圖9 屏蔽芯片源極電感前 (虛線/3pin)后(實線/4pin)的仿真波形對比
如上：虛線部分為源極改動之前的波形(3pin)，實線部分為源極改動之后的波形(4pin)。我們對比改動前后Q1電流Id_Q1(紅色: Id_Q1)、米勒電壓VDG (藍(lán)色: VD0_Q1-VG0_Q1)和芯片VGS波形(藍(lán)色: VG0_Q1-VS0_Q1)，發(fā)現(xiàn)兩者有明顯區(qū)別。
為了進一步驗證，我們把驅(qū)動電壓VGS從+15V/0V改為+15V/-3V，其仿真波形結(jié)果如圖10所示。同樣改動Q1源極電感的位置以模擬3pin/4pin，可以看到電流Id_Q1和米勒電壓VDG波形實線(4pin)和虛線(3pin)重合，相同的結(jié)論是：4pin的芯片VGS電壓比3pin的稍微高一點。
圖10 調(diào)整VGS電壓后，屏蔽源極電感前 (虛線/3pin)后(實線/4pin)的仿真波形
特別備注
以上仿真，只借鑒其定性之趨勢，不深究其定量之判定。實際應(yīng)用，須以實測為準(zhǔn)。
微信文淺，篇幅有限，蜻蜓點水，點到即止。
仿真的世界很奇妙，希望大家在勞累躬親的實驗之余，打開電腦跑個仿真泡杯茶，享受片刻的科研悠閑時光。
關(guān)于英飛凌
英飛凌設(shè)計、開發(fā)、制造并銷售各種半導(dǎo)體和系統(tǒng)解決方案。其業(yè)務(wù)重點包括汽車電子、工業(yè)電子、射頻應(yīng)用、移動終端和基于硬件的安全解決方案等。
英飛凌將業(yè)務(wù)成功與社會責(zé)任結(jié)合在一起，致力于讓人們的生活更加便利、安全和環(huán)保。半導(dǎo)體雖幾乎看不到，但它已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。不論在電力生產(chǎn)、傳輸還是利用等方面，英飛凌芯片始終發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，它們在保護數(shù)據(jù)通信，提高道路交通安全性，降低車輛的二氧化碳排放等領(lǐng)域同樣功不可沒。
來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，作者：張浩
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