SiC功率元件｜應用篇
驅動器源極引腳的效果：雙脈衝測試比較
2023.02.01
在上一篇文章中，我們透過工作原理和公式瞭解了有無驅動器源極引腳的差異和效果。有驅動器源極引腳的MOSFET可以消除源極引腳的電感帶來的影響，從而可降低切換損耗。在本文中，我們將透過雙脈衝測試來確認驅動器源極引腳的效果。
驅動器源極引腳的效果：雙脈衝測試比較
為了比較沒有驅動器源極引腳的MOSFET和有驅動源極引腳的MOSFET的實際切換工作情況，我們按照右圖所示的電路圖進行了雙脈衝測試，在測試中，使低側（LS）的MOSFET執行切換動作。
高側（HS）MOSFET則透過RG_EXT連接閘極引腳和源極引腳或驅動器源極引腳，並且僅用於本體二極體的換流工作。在電路圖中，實線是連接到源極引腳的示意圖，虛線是連接到驅動器源極引腳的示意圖。
我們來分別比較導通時和關斷時的漏-源電壓VDS和汲極電流ID的波形以及切換損耗。測試中使用的是最大額定值（VDSS）為1200V、導通電阻（RDS(on)）為 40mΩ的SiC MOSFET。TO-247N封裝的產品（型號：SCT3040KL）沒有驅動器源極引腳，TO-247-4L（SCT3040KR）和TO-263-7L（SCT3040KW7）有驅動器源極引腳。這是在RG_EXT為10Ω、外加電壓VHVDC為800V、ID為50A左右的驅動條件下的波形。
與沒有驅動器源極引腳的TO-247N封裝產品（淺藍色虛線）相比，有驅動器源極引腳的TO-247-4L封裝產品（紅色虛線）和TO-263-7L封裝產品（綠色虛線）導通時的ID上升速度更快。透過比較，可以看出TO-247N封裝產品（淺藍色線）的切換損耗為 2742µJ，而TO-247-4L封裝產品（紅色線）為1690µJ，切換損耗減少約38%；TO-263-7L封裝產品（綠線）為 2083µJ，切換損耗減少24%，減少幅度非常顯著。
透過導通波形可以確認，TO-247-4L的ID峰值達到了80A，比TO-247N大23A。這是因為，儘管在MOSFET的切換工作過程中對COSS的充放電能量是恒定的，但由於驅動器源極引腳可提高切換速度，所以充放電時間縮短，最終導致充電電流的峰值變大。雖然HS側MOSFET的誤啟動也會導致峰值電流增加，但這不是誤啟動造成的。
TO-263-7L的ID峰值為60A，不如TO-247-4L的大。這是由於換流側MOSFET（HS）的封裝電感不同造成的，與後續會介紹的關斷突波的差異成因一樣。也就是說，由dID/dt產生的切換側（LS）和換流側MOSFET的總封裝電感引起的電動勢，會將切換側MOSFET的VDS壓低，並使切換側MOSFET的COSS中積蓄的能量被釋放，但TO-263-7L的放電電流很小，導通時的ID峰值也很小。
此外，導通時的切換損耗EON也是由於相同的原因，TO-247-4L封裝產品的切換側MOSFET的VDS被壓低，最終使切換損耗EON降低。
但是，如果TO-247-4L和TO-263-7L沒有採取誤啟動對策，發生誤啟動時導通電流的峰值可能會進一步增加，因此建議務必採取誤啟動對策，比如在米勒鉗位元電路或閘極-源極之間連接幾nF的電容。如果希望進一步瞭解詳細資訊，請參考應用指南中的“SiC-MOSFET 閘極-源極電壓的突波抑制方法”。
接下來是關斷時的波形。可以看出，TO-247N封裝產品（淺藍色實線）的切換損耗為2093µJ，TO-247-4L封裝產品（紅色實線）為1462µJ，切換損耗降低約30%，TO-263-7L封裝產品（綠色實線）為1488µJ，切換損耗降低約29%，即使降幅沒有導通時那麼大，也已經是很大的改善。
關斷時在VDS中觀測到的關斷突波的主要起因是主電路的總寄生電感。它是前面給出的雙脈衝測試電路中的佈線電感LMAIN與切換側和換流側MOSFET的封裝電感（LDRAIN+LSOURCE）的合計值。因此，對於封裝電感幾乎相同的TO-247-4L（紅色實線）和TO-247N（淺藍色實線）而言，突波會隨著dID/dt速度的升高而增加。在該測試中，TO-247-4L為1009V，比TO-247N的890V大119V，因此可能需要採取緩衝電路等突波對策。
同為帶有驅動器源極引腳的產品，TO-263-7L（綠色實線）的突波比TO-247-4L（紅色實線）小，是因為封裝結構不同。TO-263-7L的汲極被分配到封裝背面的散熱片，並被直接焊接在PCB上。另外，由於源極引腳被分配給7個引腳中的5個引腳，因此封裝電感小於TO-247-4L。請注意，切換側的突波會隨著換流側（而非切換側）封裝電感的減小而變小。
關於切換損耗的比較資訊匯總如下：
| 封裝（型號名稱） | 汲-源引腳 | EON[μJ] | EOFF[μJ] |
|---|---|---|---|
| TO-247N（SCT3040KL） | 無 | 2742 | 2093 |
| TO-247-4L（SCT3040KR） | 有 | 1690 | 1462 |
| TO-263-7L（SCT3040KW7） | 有 | 2083 | 1488 |
條件：VDS=800V、ID=50A、RG_EXT=10Ω
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介紹SiC的物理性質和優點，並透過與Si元件的比較，介紹SiC蕭特基二極體和SiC MOSFET的特點及使用方法上的不同，還介紹了集多重優點於一身的全SiC模組。
SiC功率元件
基礎篇
應用篇
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