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      如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串擾)?

        發布時間: 2022-06-15      瀏覽量:37
      高壓差分探頭

        Crosstalk(串擾)

      如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串擾)

        圖1

        在圖1的半橋電路中,動作管為下管S1,施加在上管S2的為關斷驅動信號,其體二極管處于續流狀態。當S1進行開通時,其端電壓VDS1下降,則S2開始承受反向電壓,其兩端的電壓VDS2以dV/dt的速度快速上升。那么dV/dt就會通過S2的Crss產生位移電流Irss=Crss*dV/dt,Irss會流入S2的驅動回路,對CGS充電,并在RG上產生壓降。最終導致的結果就是S2的驅動電壓被向上拉起,出現一個正向的尖峰,如果超過S2的Vth,則會導致誤導通,輕則增加損耗,重則橋臂短路發生炸機。我們將這一過程稱為正向Crosstalk。

      如何抑制SiC MOSFET Crosstalk(串擾)

        圖2

        S1依舊為動作管,只是這次它進行的是關斷。此時整個過程與正向Crosstalk原理一樣,只是電壓和電流的變換方向相反,最終S2的驅動電壓被向下拽,出現一個反向的尖峰。我們都知道SiC MOSFET柵極耐壓能力很差,負向的尖峰會對其柵極造成損傷,影響SiC MOSFET的壽命或直接將其柵極擊穿。我們將這一過程稱為負向Crosstalk。

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        圖3

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        圖4

        其實無論是Si MOSFET還是IGBT都存在Crosstalk的問題,并不是SiC MOSFET特有的。但是SiC MOSFET開關速度更快、Vth偏?。ㄒ话阍?.5V-4.5V)、柵極耐壓能力較弱,這就使得Crosstalk對SiC MOSFET而言后果更加嚴重、處理起來更加困難。

        為了抑制Crosstalk,首先要做到的是測得準確的Crosstalk波形。但由于以下兩大原因,使得工程師往往獲得是錯誤的波形,常常導致一通操作猛如虎,實際效果兩毛五。

        原因1:寄生參數影響

        在剛才講解Crosstalk原理的時候,為了表達簡潔,圖1和圖3中所給出的電路圖是進行簡化后的。當考慮很多存在的寄生參數后,我們得到圖5中給出的等效電路。SiC MOSFET芯片上實際的驅動電壓為VGS,而我們使用電壓探頭獲得的是VGS-M。兩者的區別是VGS-M不光包含了VGS,還包含了SiC MOSFET芯片柵極電阻RG(int)上的壓降VRG和寄生電感L上的壓降VL。導致這種情況發生的原因是電壓探頭無法直接接在SiC MOSFET的芯片上,只能接在器件封裝的引腳上,則RG(int)和L都在測量點之間。

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        圖5

        通過仿真結果可以看到,通過電壓探頭測量得到的Crosstalk波形都比實際發生的Crosstalk偏低,這就是說,由于寄生參數的影響,Crosstalk的嚴重程度被低估了。這就會導致以下兩種情況:一是通過測量結果判斷Crosstalk在可接受范圍內,然而實際已經發生誤導通;二是工程師費了很大功夫,看似將Crosstalk抑制住了,實際還差很遠。由于RG(int)和L無法避免,也就是這種測量誤差無法被消除,那么電源工程師在使用SiC MOSFET時就需要為Crosstalk留出足夠的裕量。

        同時,測量結果與真實Crosstalk之間的差別會隨著RG(int)和L的增大而增大,這就啟示我們可以選擇RG(int)的SiC MOSFET,同時在進行測量時盡量將探頭接在器件引腳的根部,這樣就可以盡量縮小誤差。

      6379091626607487205971131.png

      圖6

      圖片16.png

        圖7

        原因2:未使用合適的電壓探頭

        在進行電源調試時,往往使用的是高壓差分探頭測量電壓信號,其測量范圍廣、差分輸入、高阻抗的特點深受電源工程是的喜愛。

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        圖示為泰克高壓差分探頭

        但在測量Crosstalk波形時差分探頭就不再適用了。首先Crosstalk的幅度范圍在±10V以內,高壓差分探頭的衰減倍數大,這就導致測量誤差大、噪聲大。其次,高壓差分探頭前端的測量線很長,相當于一個天線,會接收到SiC MOSFET開關過程中快速變化的電流產生的干擾信號,從而影響測量結果。最后,高壓差分探頭前端的測量線可以看做是電感,容易使得測量結果中出現本不存在的震蕩。

        從下邊的實測結果中可以看到,使用高壓差分探頭測量得到的Crosstalk波形顯得很粗,同時其震蕩幅度很高,正向Crosstalk尖峰已經超過SiC MOSFET的Vth(3.5V),然而此時并未發生誤導通,說明這樣的測試結果是有問題的,同時負向Crosstalk尖峰也已經超過了SiC MOSFET柵極耐壓極限(-10V)。而當使用光隔離探頭得到的Crosstalk波形與使用高壓差分探頭的波形有著明顯的區別,波形線條變細了,同時正向和負向Crosstalk尖峰都在可接受范圍之內。這主要得益于光隔離探頭可以選擇更小的衰減倍數,同時其探頭前段與器件的連接可實現最小環路連接。

       

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      圖8

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      圖9

        以上是測量下管Crosstalk的波形,那么當我們需要測量上管Crosstalk的時候,情況又會如何呢。從下邊的實測波形可以看出,使用高壓差分探頭得到的波形更加離譜了,其震蕩的幅度超過了正向10V反向20V,而使用光隔離探頭測得的波形依然在可接受范圍之內,這主要得益于光隔離探頭極佳的高頻共模抑制比。

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        圖10

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        圖11

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        圖示為泰克ISOVu新一代光隔離探頭

        由此可見,高壓差分探頭并不合適用于測量Crosstalk,得到錯誤的波形會對電路設計造成誤導,浪費工程師的時間和精力。而選擇光隔離探頭可以獲得準確的波形,無論是測量下管還是上管,都有非常優異的表現。

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