碳化硅（SiC）技術(shù)為電源、電動(dòng)汽車和充電、大功率工業(yè)設(shè)備、太陽能應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心等多個(gè)行業(yè)顯著提高了功率傳輸和管理性能。由于 SiC 更高的額定電壓、更低的系統(tǒng)運(yùn)行溫度、具備更高的電流處理能力以及更出色的恢復(fù)特性，能為多種應(yīng)用將效率及功率密度最大化，同時(shí)盡可能降低成本；然而，若想要充分利用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢，將此類元件和性能進(jìn)行表征化就非常重要。本文將詳細(xì)闡述 KIT-CRD-CIL12N-FMA 評估套件，特別是動(dòng)態(tài)表征，以及為優(yōu)化 SiC 功率模塊開關(guān)性能所需的工具。

 

 

為了測量 MOSFET 動(dòng)態(tài)性能的四個(gè)指標(biāo)（包括開關(guān)損耗、時(shí)間、過沖、開關(guān)速度），必須使器件工作，然后使用鉗位電感負(fù)載 (CIL) 測試系統(tǒng)進(jìn)行高精度測量。

 

 

▲ 圖 1：Wolfspeed MOSFET CIL 動(dòng)態(tài)表征套件

 

將 MOSFET 動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行表征化的第一步是使用雙脈沖測試 (DPT) 測量器件的電壓和電流。通過測量這兩種波形，可以提取并分析所有的信息，包括損耗、時(shí)間、過沖以及開關(guān)速度/能量。圖 2 是半橋拓?fù)涞牡湫驮O(shè)置方式，利用 WolfPACK 功率模塊以及在測試時(shí)獲取的一些關(guān)鍵波形及測量數(shù)據(jù)。根據(jù)波形示意圖可以看出，當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)開通時(shí)，將會(huì)呈現(xiàn)典型的開通波形，顯示峰值電流/過沖，以及 di/dt 和 dV/dt 以及 Vds。電壓和電流的乘積為瞬時(shí)功率，結(jié)合來看，可以揭示從關(guān)斷狀態(tài)變化到開通狀態(tài)的開關(guān)能量損耗。

 

▲ 圖 2：半橋 DPT 配置，電壓/電流波形以及能量損耗

 

 

在表征過程中，一種不太常見的測試是二極管測試，其使用低邊開關(guān)的負(fù)載電感進(jìn)行。這有助于在開關(guān)過程中將體二極管的性能進(jìn)行表征化，同時(shí)展現(xiàn)反向恢復(fù)性能。

 

 

另一個(gè)需要測量的重要方面則是加入柵極電阻后 MOSFET 性能的變化，其會(huì)改變電壓和電流（dv/dt 以及 di/dt）的變換速率，并增加開關(guān)損耗。對于多個(gè) MOSFET 并聯(lián)的情況，建議每個(gè) MOSFET 柵極配置 1 Ω 到 10 Ω 的柵極電阻（Rg），這有助于減少開關(guān)過程中的振蕩，并避免 MOSFET 超出其最大額定電壓。

 

SiC 器件的實(shí)際布局對過沖有顯著影響，這是由于寄生電感結(jié)合 di/dt 會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓（會(huì)疊加在母線電壓上）。由于 SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更迅速的開關(guān)速率，其過沖要比硅 (Si) 高得多。所以，務(wù)必要遵循最佳布局實(shí)踐，盡可能降低任何額外的電感。例如，直流匯流排應(yīng)包含層壓銅平面，而每個(gè)模塊和電容器之間的電感應(yīng)相等。同時(shí)還應(yīng)具有較大的表面積，幫助散熱，以及具備較厚的走線，盡可能減少自身電感。同時(shí)也應(yīng)使平面重疊，以加強(qiáng)磁通相抵效果，如圖 3 所示。

 

在高壓線與匯流排連接的 PCB 上的額外層有利于提高去耦和磁通相抵效果，而直流母線電容和壓接引腳之間具備相等的電感/跡線長度同樣也很重要。WolfPACK 模塊的輸出部分具備較寬的平面，可提供最大的電流載流量，這也是十分重要的。此外，不得將模塊的輸入和輸出部分重疊，這會(huì)增加電容并使損耗變大。

 

▲ 圖 3：采用良好布局的 WolfPACK 功率模塊（左側(cè)的藍(lán)色為輸入平面/PCB，右側(cè)的紫色為輸出平面/PCB）

 

 

柵極驅(qū)動(dòng)器主要有兩種配置方式。第一種是單極性，在“關(guān)斷”狀態(tài)下，功率 MOSFET 在不存在負(fù)偏壓的情況下保持關(guān)斷。第二種是雙極性，其中存在兩個(gè)電源，一個(gè)電源具有負(fù)電壓，在“關(guān)斷”狀態(tài)下保持設(shè)備關(guān)閉，并能提高整體可靠性。圖 4 示出了單極和雙極柵極驅(qū)動(dòng)器在“開通”狀態(tài)下的對比圖。

 

▲ 圖 4：“開通”狀態(tài)下的單極（左側(cè)）和雙極（右側(cè)）柵極驅(qū)動(dòng)概念

 

對于單極性配置，建議為開爾文源極平面（MOSFET 的信號(hào)源極）配置成較大、較厚并位于所有元件的正下方，且包含多個(gè)連接至驅(qū)動(dòng)器 IC 旁路電容和功率端子的通孔（最大化電流載流量）。同時(shí)，為每一 MOSFET 設(shè)置不同的柵極電阻能夠帶來可調(diào)整性和不同的開/關(guān)速度等優(yōu)勢。對于雙極驅(qū)動(dòng)器來說，可能需要額外的一套電容器來提供額外的負(fù)電源。將高頻回路最小化是獲得最小電感、最大峰值電流、最低開關(guān)損耗以及最佳性能的關(guān)鍵。圖 5 示出了單極性和雙極性配置的最佳布局。

 

▲ 圖 5：單極性（左側(cè)）和雙極性（右側(cè)）柵極驅(qū)動(dòng)器配置的理想布局

 

 

由于電感極低（通常低于 10 nH），因此測量 SiC MOSFET 模塊的寄生電感可能非常困難。Keysight E4990A 阻抗分析儀是一款出色的工具，能夠測量一系列頻率（10 kHz 到 120 MHz）下的電感。為了與模塊設(shè)備連接，需要 Keysight 特定探針中的一支，或者定制化、牢固的 PCB 設(shè)備（不含焊線/線纜/夾具），以確保最高水平的準(zhǔn)確度。

 

將 Wolfspeed 的 62 mm WolfPACK 模塊以及三款使用相同設(shè)置的競品進(jìn)行了寄生電感比較，發(fā)現(xiàn) Wolfspeed CAB530M12BM3 功率模塊的寄生電感（為 11.2 nH）顯著低于競爭對手（在 15.8 - 19.2 nH 之間）。GM3 WolfPACK 200 A 模塊的寄生電感有些難以測量，但當(dāng)移除所有器件 (MOSFET)，留下焊線和引腳（見圖 6）時(shí)，便可以準(zhǔn)確計(jì)算整體的雜散電感。GM3 在 10 MHz 運(yùn)行條件下的原始測量值（含 MOSFET）為 15.8 nH，而補(bǔ)償電感（僅基板）在 10 MHz 運(yùn)行條件下的測量值為 8.7 nH。用原始測量值減去補(bǔ)償測量值會(huì)得出功率模塊的整體雜散電感，為 7.1 nH。這表明，對設(shè)備和探針進(jìn)行補(bǔ)償非常重要，因?yàn)樵谑褂米杩狗治鰞x時(shí)，它們會(huì)顯著增加電感數(shù)值。

 

▲ 圖 6：移除器件，留下針腳的 GM3 基板

 

在優(yōu)化 SiC 系統(tǒng)時(shí)，必須考慮整體系統(tǒng)電感，不能僅考慮功率模塊或電容。XM3 便是一個(gè)良好的示例。其具有 7 nH 的低電感，同時(shí)也能為母線與匯流排連接設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更低的電感 (6 nH)。那么整體雜散電感為 13 nH，對系統(tǒng)整體來說頗有益處，能夠顯著減少開關(guān)過程中的過沖。

 

 

要想測量器件電流并得到準(zhǔn)確的結(jié)果，這很大程度上取決于探針的品質(zhì)。當(dāng)處于較高頻率時(shí)，某些探針性能更為出色，與質(zhì)量欠佳的探針相比，其捕捉的損耗和能測量的不穩(wěn)定特性更準(zhǔn)確。例如，在比較 T&M Research SSDN-005 探針和 Rogowski 線圈時(shí) (PEM CWTUM/3/B)，可以觀察到電阻器探針在 30 MHz 開關(guān)頻率（圖 7）以上探測到的振鈴更為明顯。圖片顯示 Rogowski 線圈感應(yīng)到的開關(guān)能量有誤（低了 20%）。在為 MOSFET 的開關(guān)性能進(jìn)行表征化，并了解哪個(gè)頻率范圍會(huì)引入比預(yù)期更多的能量損耗時(shí)，這非常重要。

 

▲ 圖 7：兩種探針測量 MOSFET 源極電流（左側(cè)）和開關(guān)能量（右側(cè)）的結(jié)果比較

 

 

如圖 8 所示，在測量 VDS 時(shí)，接地非常重要。可以使用兩種探針進(jìn)行測量：單端和差分。當(dāng)使用單端探針時(shí)，要參考您的系統(tǒng)，避免存在多個(gè)接地點(diǎn)。如果直接測量 VDS，而不考慮 CVR，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果異常，這是因?yàn)槭静ㄆ饔卸鄠€(gè)參考點(diǎn)。如果 復(fù)位CVR ，其參考點(diǎn)與 VDS 測量的參考點(diǎn)一致（提供反相信號(hào)，可以通過示波器調(diào)整），那么結(jié)果便會(huì)得到改進(jìn)。

 

差分探針是另一種出色的選項(xiàng)。進(jìn)行低邊測量時(shí)，其表現(xiàn)良好，進(jìn)行高邊測量時(shí)，其準(zhǔn)確度欠佳，共模抑制比較高。Tektronix TPP0850 是良好的單端探針，而 Tektronix THDP0200 是一款出色的差分探針，額定 200 MHz，1500 V。

 

▲ 圖 8：VDS 探針測量低邊 MOSFET（含 CVR 元件）的設(shè)置

 

 

對于柵極-源極電壓 (VGS)，在比較光隔離探針和標(biāo)準(zhǔn)差分探針后，差分探針能探測到的振鈴更多（見圖 9）。當(dāng)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為測量到的振鈴確實(shí)存在于系統(tǒng)之中，這能夠警告設(shè)計(jì)人員，這實(shí)際上僅是差分探針的一種測量固有數(shù)值。錯(cuò)誤信息是由于差分探針的低共模瞬變抗擾度 (CMTI) 與較高的 dV/dt 相遇而造成的。推薦 Tektronix IsoVu TIVH05 作為光隔離探針的理想之選。

 

▲ 圖 9：光隔離探針和差分探針的 VGS 測量比較

 

 

 

在對多種元器件和配置進(jìn)行測量之后，在分析和比較結(jié)果時(shí)，還需要考慮很多因素。建議對不同配置的開關(guān)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行定性評估，以找到適合于該應(yīng)用的最佳配置。從測試方面來看，可能會(huì)多次重復(fù)這種流程，但當(dāng)重疊波形時(shí)，便能夠得出最佳配置。

 

在專門研究柵極驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋾r(shí)，圖 10 示出了 MOSFET 開通過程中從 1 Ω 到 10 Ω 的外部柵極電阻、低/高邊柵極電壓、電流以及雙極性/單極性和米勒/非米勒設(shè)計(jì)的多個(gè)測試示例。從圖表中我們可以看出，針對于該示例，較低的柵極電阻能夠帶來更快的開關(guān)頻率，但其較為激進(jìn)，可能會(huì)造成性能不穩(wěn)定（至少在沒有米勒鉗位的情況下）。隨著柵極電阻增加，開關(guān)頻率變慢，米勒鉗位的優(yōu)勢更為明顯。

 

 

 

▲ 圖 10：MOSFET 開通情況下多種測試情形的重疊圖

 

該開通過程包含非常激進(jìn)的開關(guān)表現(xiàn)，包含 150?C 的虛擬結(jié)溫以及 100 A IDS，使得設(shè)計(jì)人員需要選擇較慢的開關(guān)速度和較高的柵極電阻來確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。在關(guān)斷過程中，數(shù)據(jù)則明顯不同，在較低的柵極電阻下其表現(xiàn)不像開通過程中大幅變化如果可以接受采用 1 Ω 來進(jìn)行關(guān)斷 MOSFET，那么可以通過相應(yīng)地調(diào)整兩個(gè)柵極電阻，該設(shè)計(jì)的開關(guān)速度（最小化關(guān)斷延時(shí)）和可靠性（更低的過沖和振鈴）將得以優(yōu)化。使用相同的一套圖表還可以分析體二極管的反向恢復(fù)性能。

 

當(dāng)進(jìn)一步結(jié)合電壓和電流波形時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以直觀地看到開關(guān)能量的表現(xiàn)，并比較所有情況下的開通/關(guān)斷能量（見圖 11）。在觀察這些圖表之后得出的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是，采用帶米勒鉗位的雙極性柵極驅(qū)動(dòng)器 (15 V / - 4 V) 能夠帶來最佳的穩(wěn)定性（不存在自開通、減少直通風(fēng)險(xiǎn)）和開關(guān)損耗。

 

▲ 圖 11：多種配置的開關(guān)能量圖表

 

在進(jìn)行測試和后期處理時(shí)，務(wù)必查看 MOSFET 在整個(gè)結(jié)溫范圍內(nèi)的表現(xiàn)。在室溫下 （25?C），較低的柵極電阻可能能夠的滿足應(yīng)用需求，同時(shí)最大化開關(guān)速度。然而，當(dāng)溫度較高時(shí)，開關(guān)特性和反向恢復(fù)特性可能會(huì)發(fā)生劇烈的變化，導(dǎo)致?lián)p耗和不穩(wěn)定性增加，使得 MOSFET 處于不安全的運(yùn)行環(huán)境中。可采用加熱板（或類似方法）進(jìn)行高溫測試，以模擬在正常運(yùn)行條件下的實(shí)際溫度。

 

 

考慮多種拓?fù)湟约伴_關(guān)條件是非常重要的，還需要采用合適的設(shè)備才能準(zhǔn)確地對設(shè)計(jì)進(jìn)行建模。通過一系列測試方法得出四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)（開關(guān)損耗、時(shí)間、過沖以及開關(guān)速度）后，便能夠選擇理想的配置方式，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而充分利用 SiC 的出色特性。