【導讀】在IGBT時代
，門極電壓的選擇比較統一
，無非Vge=+15V/-15V或+15V/-8V或+15V/0V這幾檔。而在新興的SiC MOSFET領域，還未有約定俗成的門極電壓規範。本文願就SiC MOSFET的門極電壓選擇上的困惑
，提供些有用的參考。

下文所述，主要以英飛淩工業1200V SiC MOSFET的M1H係列產品與應用為參考
，其他不同電壓等級或不同廠家的SiC產品，不盡相同。

在SiC產品的規格書中

，都會有SiC Vgs電壓範圍和推薦電壓區間(如圖1所示)，以供大家在實際應用中參考。但是推薦非強製
，關於Vgs的關斷電壓，既可0V

，也可負壓。

圖1.IMBG120R030M1H規格書Vgs說明

備注1：今年(2022)新出的M1H單管係列，其門極Vgs電壓的負壓極值，從上述的-7V進一步擴展到-10V
，使得客戶的負壓選取更加靈活，同時門極的AC BTI特性也得到大幅提升。

萬變不離其宗
，其實無論器件的門極電壓範圍如何變化，落實到應用層麵：到底如何選取SiC門極電壓？應該考慮哪些方麵？性能與可靠性如何取舍
？讀罷此文
，自然撥雲見日。

01 SiC MOSFET的Vgs正壓對Rdson和Esw的影響

以英飛淩工業1200V/M1H係列SiC單管為例，如圖1所示，Vgs最高正壓為23V
，考慮5V餘量，實際應用可選擇15V或18V作為開通電壓。

1.1 Vgs正壓越高

，其Rdson越小

工業1200V/M1H規格書Rdson標定值，皆以Vgs=+18V而得。若以Vgs=+15V適之，則Rdson還會增加。舉例：

Rdson=30mOhm@Vgs=+18V，

則Rdson=~40mOhm@Vgs=+15V。

1.2 Vgs正壓越高，其Esw也越小(Eon)

為了更直觀說明不同Vgs正壓對Esw的影響，利用官網的SiC SPICE模型(IMBG120R030M1H)，搭建了簡單的仿真電路(800V/25A/25C/Rg=10/6Ohm)，如圖2和圖3所示，是Vgs=18V/0V和Vgs=15V/0V的仿真結果。正壓Vgs越高，其Eon越小。因此，對於開關頻率高或者隻有Eon或Eoff的軟開關場合，猶需關注。

圖2.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V)
，對SiC開關特性的影響(25C)

圖3.不同Vgs正壓(Vgs=18V和15V)，對SiC開關特性的影響(25C)

因此，如果選擇正壓15V驅動，相對18V而言
，不僅會犧牲導通損耗(Rdson)
，也會增加一些開關損耗(Eon)。當然15V驅動也有好處，受益於開通速度的降低
，開通的overshoot有所改善，對於Vgs寄生導通會有一定幫助。

02 SiC MOSFET的Vgs負壓對Rdson和Esw的影響

2.1 Vgs負壓不同，其Rdson不變

2.2 Vgs負壓越低
，其Esw越低(Eoff)

同樣，我們看下不同Vgs負壓的仿真結果，如圖4和圖5所示：

圖4.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V)
，對SiC開關特性的影響(25C)

圖5.不同Vgs負壓(Vgs=0V和-3V)，對SiC開關特性的影響(25C)

因此
，如果選擇Vgs=-3V關斷，對於SiC的Rdson無所助益，但是對關斷損耗Eoff的減小還是比較明顯的，尤其對一些隻有關斷損耗Eoff的場合收益明顯。同時選擇Vgs=-3V對降低開通時刻的寄生導通風險也是立竿見影。

那麼，我們直接選擇Vgs=+18V/-3V
，

豈不是皆大歡喜？

關於這個問題，其實沒有標準答案：應用不同，答案不同
，設計不同，答案也不同……

因為

，在SiC器件的設計與應用中，除了上述性能(Rdson,Esw)的考量之外
，可靠性和魯棒性也是不可忽視的一部分。尤其是Vgs電壓對短路特性和門極可靠性的影響。

03 SiC MOSFET的Vgs電壓對短路特性的影響

承接上文的問題，為什麼不能直接以Vgs=+18V/-3V，“放之四海而皆準”。

首先Vgs正壓18V或15V直接關係到SiC的短路特性之有無，而有些應用又對器件短路能力剛需，則隻能選擇15V，而選擇Vgs=18V則意味著器件失去了短路耐受能力。

與此同時，與IGBT的短路耐受類似，不同的母線電壓也會影響其短路耐受時間。

一言以蔽之，SiC MOSFET的短路耐受能力
，相比類似電流規格的IGBT要差很多。其實也不難理解，畢竟在MOSFET的Si時代，如英飛淩引以為傲的CoolMOS家族
，都是沒有短路耐受能力的
，所謂的短路耐受隻是IGBT應用的延續與遺產。

圖6.SiC MOSFET的短路特性

關於為啥SiC MOSFET的短路耐受比IGBT更短
，簡而言之，就是電流大、麵積小

、熱層薄導致的短路能量密度遠超IGBT短路的情況(約20倍)，具體可參見下麵的圖7所述：

圖7.SiC與IGBT的短路能量密度對比

04 SiC MOSFET的Vgs電壓對門極可靠性的影響

繼續承接上文的問題，講完Vgs正壓選取與短路特性之後，我們再看看Vgs關guan斷duan負fu壓ya與yu門men極ji可ke靠kao性xing的de問wen題ti。關guan於yu這zhe個ge熱re門men問wen題ti，英ying飛fei淩ling之zhi前qian專zhuan門men推tui出chu過guo一yi份fen內nei容rong詳xiang實shi堪kan稱cheng業ye界jie典dian範fan的de白bai皮pi書shu，並bing且qie在zai不bu同tong場chang合he和he平ping台tai都dou給gei大da家jia做zuo過guo深shen入ru的de剖pou析xi和he講jiang解jie。核he心xin內nei容rong，如ru圖tu8所示：

圖8.SiC門極氧化層可靠性挑戰與英飛淩SiC可靠性白皮書簡介

具體的在這裏就不贅述了，請參見下麵的鏈接：

“英飛淩如何控製和保證基於SiC的功率半導體器件的可靠性”

我們繼續聊Vgs負壓選取的問題，在常見的半橋拓撲中，大多存在由米勒電容和源極電感產生的Vgs尖峰，分別為開通時刻的overshoot和關斷時刻的undershoot。

圖9.SiC MOSFET門極Vgs的overshoot和undershoot示意圖

Vgs的負壓選取
，既要overshoot不超過門檻電壓Vgs.th
，也要undershoot不超過Vgs.min限值。

05 總 結

綜上所述，選取合適的Vgs電壓
，除了參考規格書的推薦值之外，不僅要考慮對Rdson的變化，也要考慮對Esw的影響，同時要兼顧所在應用和設計中，對可靠性的相關要求，最終的Vgs電壓值，一定是折衷與優化的結果
，如圖10所示。

圖10.SiC驅動電壓Vgs選取與評估的綜合考量參考

古人雲：水無常勢、人無常形。授人以魚不如授人以漁。

掌握Vgs電壓的選取與評估的方法，遠勝於人雲亦雲的所謂經驗Vgs電壓值。

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