碳化硅（SiC）MOSFET 以其高频、高速开关的卓越特性，在电子系统中得到了广泛应用。这种特性能够显著提升系统效率，然而，也带来了新的挑战。在高频、高速开关过程中，寄生电感和电容会产生更大的振荡，进而在驱动电压上引发更大的尖峰。
驱动电压尖峰对系统的影响不容小觑。当驱动电压尖峰超出 SiC MOSFET 的驱动电压安全范围时，可能会导致器件误开关，严重情况下甚至会损坏器件。此外，尖峰电压产生的电磁干扰会影响系统的 EMC 指标，而驱动电压尖峰带来的高频震荡还会使电流波形不稳定，进而影响系统的性能和稳定性。因此，如何有效抑制驱动电压尖峰，成为了充分发挥 SiC MOSFET 优势的关键课题。本系列上篇已经详细讲解了 “驱动电压尖峰复现与分析”，本篇将着重介绍第二部分：“驱动电压尖峰的抑制方法”。

双脉冲测试方法

瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法，对 SiC MOSFET 开关过程中的驱动电压尖峰进行复现和分析，以便制定有效的抑制对策。在双脉冲测试中，Q1 和 Q2 选用瞻芯电子 1200V 80mΩ SiC MOSFET（IV1Q12080T3/T4），下管 Q2 始终保持关断状态，上管 Q1 进行开关动作。当上管 Q1 开通时，电流路径为红色实线；当上管 Q1 关断时，电流路径为红色虚线，具体情况如下图 1 所示：

图 1：双脉冲测试电路及过程

抑制尖峰对策一：并联二极管钳位

利用二极管的单向导通特性，在 MOSFET 栅极和源极并联二极管，可有效钳位因米勒效应和 di/dt 在源极的震荡导致的驱动电压负尖峰。如下图 2 所示，当上管 Q1 关闭时，高 dv/dt 会导致器件米勒电容放电，同时源极产生自感电动势，这些因素会使 Vgs 产生负尖峰。当负尖峰电压超过二极管阈值电压时，二极管将导通，从而消除 Vgs 的负尖峰。

图 2：MOSFET 并联二极管

在下列测试波形图 3 中可以看到，Vgs 负压尖峰几乎被消除。然而，在 0V 关断的条件下，由于寄生电感释放能量，正尖峰增大到 3.9V，存在误开通风险。因此，二极管钳位虽然可以有效消除负尖峰，但会增大正尖峰风险，推荐搭配使用驱动负压偏置，以避免 MOSFET 误开通。


图 3：0V 驱动，且并联二极管


图 4：0V 驱动，但无钳位

抑制尖峰对策二：并联电容

在 -3.5V 关断下管 Q2，且不采取抑制尖峰对策时，驱动电路如下图 5 所示。当首次关闭上管 Q1 时的波形如图 6，当开通上管 Q1 时的波形如图 7，都出现了较大的正负尖峰：

图 5：不加抑制时，上管 Q1 关闭的电路

若利用电容的稳压和滤波特性，在 MOSFET 栅极和源极并联合适的电容，可吸收和平滑驱动电压正负尖峰，如图 8 所示：

图 8：并联电容时，上管 Q1 关闭
当上管 Q1 关闭后，在 Vds 降低到 0V 后，Vgs 负压尖峰不再下拉，如下图 9 所示；当上管 Q1 开通时，Vgs 正尖峰也被限制在较低水平，如下图 10 所示：

如果系统中存在高频震荡，建议在电容处串联阻尼电阻，这样会有更好的尖峰震荡抑制效果，电路如下图 11 所示：

图 11：MOSFET 并联电容 + 电阻
在并联电容上串联电阻的驱动波形如下图 12、13 所示：


虽然串联电阻后对主尖峰的吸收效果略有减弱，但对于 TO247 - 3 封装的器件，考虑到源极引脚会导致管芯上的 Vgs 电压尖峰和持续震荡，所以加吸收电阻有更好的阻尼效果。

抑制尖峰对策三：采用开尔文源极驱动

由于 TO247 - 4 封装器件具有开尔文源极引脚，可与功率回路源极分开，使源极电感无法影响驱动电压，因而能有效抑制源极管脚寄生电感引起的驱动电压尖峰，其电路示意图如下图 14 所示：


图 14：采用开尔文源极引脚驱动
在下列的波形图中，采用 -3.5V 驱动电压关断的 SiC MOSFET，TO247 - 4 封装器件因具备开尔文源极引脚，对比 TO247 - 3 器件，其驱动电压尖峰被显著抑制，其中负压尖峰由 -7.4V 提升到 -6.9V，正压尖峰由 2.58V 降低到 -2.99V，如下图 15 - 16 所示：


图 15：有开尔文源极引脚驱动的波形


图 16：无开尔文源极引脚驱动的波形
如果 SiC MOSFET 选用 TO247 - 4 封装，同时并联电容和电阻，还能进一步吸收驱动电压尖峰，抑制持续震荡，总体效果更好，如下图 17 - 18 所示：


图 17：采用 TO247 - 4 + RC 吸收


图 18：采用开尔文源极引脚驱动 + RC 吸收的波形
综合对比上述 3 种抑制对策，效果的方式为采用具有开尔文源极的 TO247 - 4 封装器件，并合理搭配吸收电容和电阻。

米勒钳位应用对策

为应对 SiC MOSFET 较低的阈值电压（Vth），瞻芯电子开发了 SiC ?比邻驱动芯片 TM IVCR1401，其内部集成了负压驱动与退保和保护功能。在下列驱动电路中，加入了 2 个钳位 MOSFET，如下图 19 所示：


图 19：SiC 专用驱动 芯片 IVCR1401 + 米勒钳位管
当主 MOSFET 关断时，钳位管导通，以短接驱动电阻 Rg，等效于米勒钳位，能显著抑制驱动电压主尖峰，如下图 20 所示：


图 20：对比有无米勒钳位管的波形

总结

1. 驱动电压尖峰的主要原因有 2 点：
   • 高 dv/dt 时的米勒电效应；
   • 高 di/dt 在源极引脚寄生电感上产生的震荡。
2. 驱动电压尖峰的抑制方法为：采用开尔文源极引脚驱动，并搭配合适的电容和电阻，以吸收尖峰和震荡；
3. 对于 TO247 - 3 封装，不建议用米勒钳位，多用电容串联电阻的弱下拉，如下图 21 所示：

图 21：对比 TO247 - 3 与 TO247 - 4 封装的驱动回路
4. 对于 TO247 - 4 封装或驱动回路源极漏感小的电路，可用各种米勒钳位对策；
5. 建议驱动路径尽量靠近器件引脚根部，规避长引脚的寄生电感。