仿真看世界之SiC单管的开关特性

如下图1是今年英飞凌新推出的一颗TO-247-3封装的1200V/45mΩ的SiC MOSFET单管。假定该器件焊到PCB后，其管脚到器件内部芯片栅极、漏极和源极的杂散参数如下图所示，其中V_{D1_Q1}、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管脚测到的信号，V_{D0_Q1}、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1内部芯片的信号，芯片Q1内包含寄生电阻R_gint=4Ω。

特别提醒

仿真只是工具，仿真无法替代实验，仿真只供参考，一 切以实际测量为准。

研发不仅是脑力活，也是体力活，搞过电力电子的同学想必深有体会。

如果大家山重水复于研发日常的拧螺丝、焊板子、测电路、打波形、调参数、堆代码、写文档，不妨打开手机，进入英飞凌公众号，随我们一起看看仿真世界里的柳暗花明。

因此，英飞凌官网上线了全线SiC单管的SPICE模型，以便大家在实验之余，利用SIMetrix或LTsipce等工具进行器件应用的相关仿真。

这一次，我们将利用SIMetrix SPICE仿真，一窥SiC单管的开关瞬间。

如下图1是今年英飞凌新推出的一颗TO-247-3封装的1200V/45mΩ的SiC MOSFET单管。假定该器件焊到PCB后，其管脚到器件内部芯片栅极、漏极和源极的杂散参数如下图所示，其中V_{D1_Q1}、V_{G1_Q1}和V_{S2_Q1}表示器件Q1外部管脚测到的信号，V_{D0_Q1}、V_{G0_Q1}和V_{S0_Q1}表示器件Q1内部芯片的信号，芯片Q1内包含寄生电阻R_gint=4Ω。

图1 SiC单管及其内部杂散参数(仅供参考)

为了研究该SiC MOSFET单管的开关瞬间特性，我们搭建了双脉冲仿真电路，如下图2：

图2 SiC单管双脉冲仿真电路

Q1/Q2皆为上述SiC MOSFET单管，其中下管Q2进行双脉冲开关，上管Q1维持关断电平。驱动部分的默认设置为V_GS=+15V/0V，R_gon=2Ω，R_goff=2Ω。

鉴于器件内部寄生参数的客观存在，在器件管脚处测得的信号不能真实反映芯片内部的电压变化，以下管Q2开关为例，如下图3所示：

图3 下管Q2的器件参数与驱动电路

从器件外部管脚测到的V_GS电压为绿色的“V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2}”，而器件内部芯片的V_GS电压为蓝色的“V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2}”，显然，两者波形是有所差异的，如下图4和图5：

图4 Q2开通时的器件内外的栅极电压

图5 Q2关断时的器件内外的栅极电压

究其原因，则是栅极与源极之杂散电感作祟，尤以源极处为甚，具体如图6：

其中，绿色为外部栅极电压(V_{G1_Q2}-V_{S2_Q2})，蓝色为芯片栅极电压(V_{G0_Q2}-V_{S0_Q2})，红色为芯片+栅极电感的栅极电压(V_{G1_Q2}-V_{S0_Q2})，而蓝色与红色差异很小。所以，在器件外部看到的栅极电压振荡，主要来自源极电感的影响。

图6 不同位置门极电压V_GS

因此，后续分析将重点聚焦芯片内部之不可测的栅极电压，而非管脚处之可测非真实者。

下管Q2双脉冲动作时，观测上管Q1的相关波形，如下图7所示：

图7 下管Q2开通瞬间的上管Q1波形

可以看到，在Q2开通瞬间，Q1在器件外部管脚V_GS(绿色: V_{G1_Q1}-V_{S2_Q1})和芯片V_GS(蓝色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})的差异很大，这是为什么呢？

为了便于分析，我们抓取了Q1的电流I_{d_Q1}(电流正方向: 红色方向)和芯片的栅漏极电压(米勒电压: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})，以及源极电感电压(红色: V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})，如下图8所示；

图8 器件内外V_GS电压、源极电感电压、源极电流与米勒电压的波形(3pin)

如上：Q1内部的芯片VGS电压，是源极电感的电压激励源和米勒电容处的电流激励源，两者共同影响的结果。其中：由米勒电压(蓝色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})产生的米勒电流，会抬高Q1栅极电压以增加寄生导通的风险，其影响是单调的；而源极电感电压(V_{S0_Q1}-V_{S2_Q1})会呈现先正后负的突变特性，是因为源极电流I_{d_Q1}在续流和反向恢复阶段的电流di/dt极性突变，其前半部分对Q1内部栅极电压(蓝色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})有明显的抑制作用，而后半部分则反之。 

那么，在这个仿真Case(实际应用不一定)中，源极电感or米勒电容，两者影响孰轻孰重呢？

为了研究Q1源极电感的影响，我们维持Q2所有配置不变，以保证相同的开关速度，以及Q1处的dv/dt和di/dt不变，只将Q1器件外部的源极直接连到芯片源极，以屏蔽其对Q1驱动回路的影响，类似TO-247-4pin的原理，其他参数不变，得到仿真波形，如下图9所示：(此时Q1是否寄生导通只有米勒电容的影响)

图9 屏蔽芯片源极电感前 (虚线/3pin)后(实线/4pin)的仿真波形对比

如上：虚线部分为源极改动之前的波形(3pin)，实线部分为源极改动之后的波形(4pin)。我们对比改动前后Q1电流I_{d_Q1}(红色: I_{d_Q1})、米勒电压V_DG (蓝色: V_{D0_Q1}-V_{G0_Q1})和芯片V_GS波形(蓝色: V_{G0_Q1}-V_{S0_Q1})，发现两者有明显区别。

为了进一步验证，我们把驱动电压V_GS从+15V/0V改为+15V/-3V，其仿真波形结果如图10所示。同样改动Q1源极电感的位置以模拟3pin/4pin，可以看到电流I_{d_Q1}和米勒电压V_DG波形实线(4pin)和虚线(3pin)重合，相同的结论是：4pin的芯片V_GS电压比3pin的稍微高一点。

图10 调整V_GS电压后，屏蔽源极电感前 (虚线/3pin)后(实线/4pin)的仿真波形

特别备注

以上仿真，只借鉴其定性之趋势，不深究其定量之判定。实际应用，须以实测为准。

微信文浅，篇幅有限，蜻蜓点水，点到即止。

仿真的世界很奇妙，希望大家在劳累躬亲的实验之余，打开电脑跑个仿真泡杯茶，享受片刻的科研悠闲时光。

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来源：英飞凌工业半导体，作者：张浩