门极驱动正压对功率半导体性能的影响

/ 引言 /

对于半导体功率器件来说,门极电压的取值对器件特性影响很大。以前曾经聊过门极负压对器件开关特性的影响,而今天我们来一起看看门极正电压对器件的影响。文章将会从导通损耗,开关损耗和短路性能来分别讨论。

1 对导通损耗的影响

无论是MOSFET还是IGBT,都是受门极控制的器件。在相同电流的条件下,一般门极电压用得越高,导通损耗越小。因为门极电压越高意味着沟道反型层强度越强,由门极电压而产生的沟道阻抗越小,流过相同电流的压降就越低。不过器件导通损耗除了受这个门极沟道影响外,还和芯片的厚度有很大的关系,一般越薄的导通损耗越小,所以同等芯片面积下宽禁带的器件导通损耗要小得多。而相同材料下耐压越高的器件就会越厚,导通损耗就会变大。这种由芯片厚度引起的导通损耗不受门极电压影响,所以器件耐压越高,门极电压即使进一步增大对导通损耗贡献是有限的。

我们从器件的规格书中很容易得到这个结论,如图1的a、b分别是一个IGBT器件IKW40N120CS7的输出特性曲线。在相同的IC电流下,门极电压越高,对应的输出线越陡,VCE饱和压降越小。但是门极电压大于15V后,即使门极电压再升高,VCE饱和压降变小得不多了。所以IGBT选用15V驱动是一个不错的选择。

图1a 25℃下IGBT典型输出特性曲线

图1b 175℃下IGBT典型输出特性曲线

SiC MOSFET的导通损耗表现相类似,如图2所示为IMW120R030M1H的输出特性。相比于图1的横坐标,图2的电压跨度更大,也就是说SiC MOSFET适合门极电压更高(比如18V),导通损耗更小,获益更大。但是考虑门极氧化层的可靠性,使用电压一般不会超过20V,英飞凌1200V的SiC MOSFET建议使用电压为18V。

图2a 25℃下SiC典型输出特性曲线

图2b 175℃下SiC典型输出特性曲线

综合以上两者特性来说,1200V的IGBT一般在15V以后,变化不明显,而1200V的SiC MOSFET则变化大,如图3。这主要是因为对于1200V等级的SiC MOSFET来说,沟道电阻所占比重较大,而减小沟道电阻的有效手段就是提高门极电压。

图3 1200V的IGBT和SiC MOSFET导通压降比较

2 对开关损耗的影响

另外,门极的正压对降低开关损耗也是有帮助的。因为开通的过程相当于一个对门极电容充电的过程,初始电压越大,充电越快,一般来说开通损耗越小。而关断损耗则受门极负压影响,几乎不受门极正电压影响。我们利用了双脉冲平台进行开关波形的测试。图4是SiC MOSFET的开关损耗在不同门极电压和不同IC电流下的表现。图5是IGBT的开通损耗。而由于SiC MOSFET的开关损耗绝对值比IGBT要小得多,所以从开关损耗降低的比例来看,SiC MOSFET效果更明显。

图4  SiC MOSFET的开关损耗

图5  IGBT的开关损耗

3 对短路时间的影响

凡事有得有失,虽然门极电压高对导通损耗和开通损耗都好,但是会牺牲短路性能。下式为MOSFET短路电流的理论公式,IGBT短路行为与MOSFET类似。式中μn为电子的迁移速率,Cox为单位面积栅氧化层电容,W/L为氧化层宽长比,Vgs为驱动正电压,Vth为门极阈值电压。从式中可以看出,门极正电压越大,电流会明显上升。

比如IGBT在门极电压15V下有10μs的短路能力,但在门极16V时,短路能力会下降到7μs不到,如图6。对SiC MOSFET而言,相同电流的芯片面积小得多,且可能工作在更高的母线电压导致短路瞬态能量更大,如果门极电压超过15V,甚至会失去短路耐受能力。

图6 IGBT短路能力和门极电压的关系

结论

无论对IGBT还是SiC MOSFET来说,使用的门极正电压越高,导通损耗和开通损耗都会降低,对整体开关效率有利。但是会影响器件的短路耐受能力。如果在使用SiC MOSFET时不需要短路能力的话,建议适当提高门极的正电压。

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