【導讀】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，其管腳到器件內部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數如下圖所示，其中V_{D1_Q1}、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管腳測到的信號，V_{D0_Q1}、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1內部芯片的信號，芯片Q1內包含寄生電阻R_gint=4?。

特別提醒

仿真只是工具，仿真無(wú)法替代實(shí)驗，仿真只供參考，一 切以實(shí)際測量為準。

研發(fā)不僅是腦力活，也是體力活，搞過(guò)電力電子的同學(xué)想必深有體會(huì )。

如果大家山重水復于研發(fā)日常的擰螺絲、焊板子、測電路、打波形、調參數、堆代碼、寫(xiě)文檔，不妨打開(kāi)手機，進(jìn)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(xiàn)了全線(xiàn)SiC單管的SPICE模型，以便大家在實(shí)驗之余，利用SIMetrix或LTsipce等工具進(jìn)行器件應用的相關(guān)仿真。

這一次，我們將利用SIMetrix SPICE仿真，一窺SiC單管的開(kāi)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，其管腳到器件內部芯片柵極、漏極和源極的雜散參數如下圖所示，其中V_{D1_Q1}、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管腳測到的信號，V_{D0_Q1}、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1內部芯片的信號，芯片Q1內包含寄生電阻R_gint=4?。

圖1 SiC單管及其內部雜散參數(僅供參考)

為了研究該SiC MOSFET單管的開(kāi)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(jìn)行雙脈沖開(kāi)關(guān)，上管Q1維持關(guān)斷電平。驅動(dòng)部分的默認設置為V_GS=+15V/0V，R_gon=2?，R_goff=2?。

鑒于器件內部寄生參數的客觀(guān)存在，在器件管腳處測得的信號不能真實(shí)反映芯片內部的電壓變化，以下管Q2開(kāi)關(guān)為例，如下圖3所示：

圖3 下管Q2的器件參數與驅動(dòng)電路

從器件外部管腳測到的V_GS電壓為綠色的“V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2}”，而器件內部芯片的V_GS電壓為藍色的“V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2}”，顯然，兩者波形是有所差異的，如下圖4和圖5：

圖4 Q2開(kāi)通時(shí)的器件內外的柵極電壓

圖5 Q2關(guān)斷時(shí)的器件內外的柵極電壓

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(V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2})，藍色為芯片柵極電壓(V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2})，紅色為芯片+柵極電感的柵極電壓(V_{G1_Q2}-V_{S0_Q2})，而藍色與紅色差異很小。所以，在器件外部看到的柵極電壓振蕩，主要來(lái)自源極電感的影響。

圖6 不同位置門(mén)極電壓V_GS

因此，后續分析將重點(diǎn)聚焦芯片內部之不可測的柵極電壓，而非管腳處之可測非真實(shí)者。

下管Q2雙脈沖動(dòng)作時(shí)，觀(guān)測上管Q1的相關(guān)波形，如下圖7所示：

圖7 下管Q2開(kāi)通瞬間的上管Q1波形

可以看到，在Q2開(kāi)通瞬間，Q1在器件外部管腳V_GS(綠色: V_{G1_Q1}-V_{S2_Q1})和芯片V_GS(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_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I_{d_Q1}(電流正方向: 紅色方向)和芯片的柵漏極電壓(米勒電壓: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})，以及源極電感電壓(紅色: V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})，如下圖8所示；

圖8 器件內外V_GS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，兩者共同影響的結果。其中：由米勒電壓(藍色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})產(chǎn)生的米勒電流，會(huì )抬高Q1柵極電壓以增加寄生導通的風(fēng)險，其影響是單調的；而源極電感電壓(V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})會(huì )呈現先正后負的突變特性，是因為源極電流I_{d_Q1}在續流和反向恢復階段的電流di/dt極性突變，其前半部分對Q1內部柵極電壓(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})有明顯的抑制作用，而后半部分則反之。 

那么，在這個(gè)仿真Case(實(shí)際應用不一定)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(kāi)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驅動(dòng)回路的影響，類(lèi)似TO-247-4pin的原理，其他參數不變，得到仿真波形，如下圖9所示：(此時(shí)Q1是否寄生導通只有米勒電容的影響)

圖9 屏蔽芯片源極電感前 (虛線(xiàn)/3pin)后(實(shí)線(xiàn)/4pin)的仿真波形對比

如上：虛線(xiàn)部分為源極改動(dòng)之前的波形(3pin)，實(shí)線(xiàn)部分為源極改動(dòng)之后的波形(4pin)。我們對比改動(dòng)前后Q1電流I_{d_Q1}(紅色: I_{d_Q1})、米勒電壓V_DG (藍色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})和芯片V_GS波形(藍色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})，發(fā)現兩者有明顯區別。

為了進(jìn)一步驗證，我們把驅動(dòng)電壓V_GS從+15V/0V改為+15V/-3V，其仿真波形結果如圖10所示。同樣改動(dòng)Q1源極電感的位置以模擬3pin/4pin，可以看到電流I_{d_Q1}和米勒電壓V_DG波形實(shí)線(xiàn)(4pin)和虛線(xiàn)(3pin)重合，相同的結論是：4pin的芯片V_GS電壓比3pin的稍微高一點(diǎn)。

圖10 調整V_GS電壓后，屏蔽源極電感前 (虛線(xiàn)/3pin)后(實(shí)線(xiàn)/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(shí)際應用，須以實(shí)測為準。

微信文淺，篇幅有限，蜻蜓點(diǎn)水，點(diǎn)到即止。

仿真的世界很奇妙，希望大家在勞累躬親的實(shí)驗之余，打開(kāi)電腦跑個(gè)仿真泡杯茶，享受片刻的科研悠閑時(shí)光。

關(guān)于英飛凌

英飛凌設計、開(kāi)發(fā)、制造并銷(xiāo)售各種半導體和系統解決方案。其業(yè)務(wù)重點(diǎn)包括汽車(chē)電子、工業(yè)電子、射頻應用、移動(dòng)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(huì )責任結合在一起，致力于讓人們的生活更加便利、安全和環(huán)保。半導體雖幾乎看不到，但它已經(jīng)成為了我們日常生活中不可或缺的一部分。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(zhù)至關(guān)重要的作用。此外，它們在保護數據通信，提高道路交通安全性，降低車(chē)輛的二氧化碳排放等領(lǐng)域同樣功不可沒(méi)。

來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體，作者：張浩  

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