在当今电子技术飞速发展的时代，开关电源的性能对于各类电子设备的稳定运行至关重要。2025 年 01 月 08 日 12:01 来自江苏的这篇文章，由瞻芯电子创作。瞻芯电子一直致力于开发碳化硅 (SiC) 功率半导体和芯片产品，凭借其的技术和创新能力，为客户提供一站式芯片解决方案，有力地推动了功率变换系统朝着小型化、轻量化、高效化的方向发展。
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，能够显著提升系统效率。然而，这种特性也带来了一些挑战。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，从而导致驱动电压出现更大的尖峰。
驱动电压尖峰对系统的危害不容小觑。一旦驱动电压尖峰超出 SiC MOSFET 的安全驱动电压范围，极有可能引发器件误开关，甚至造成器件性损坏。同时，尖峰电压产生的电磁干扰会严重影响系统的 EMC 指标，而驱动电压尖峰带来的高频震荡会使电流波形变得不稳定，进而对系统的性能和稳定性产生负面影响。因此，设计可靠的驱动电路来抑制驱动电压尖峰，成为充分发挥 SiC MOSFET 优势特性的关键课题。为了实现这一目标，我们首先需要测试复现驱动尖峰波形，并深入分析其产生的原因，然后才能采取相应的有效措施来抑制尖峰。本篇文章将重点讲解部分：驱动电压尖峰复现与分析。
瞻芯电子采用经典的双脉冲测试方法，来复现 SiC MOSFET 开关过程中的驱动电压尖峰，以便准确分析原因并采取针对性的对策。在双脉冲测试电路中，Q1 和 Q2 选用瞻芯电子 1200V 80mΩ SiC MOSFET (IV1Q12080T3/T4)，其中下管 Q2 始终保持关断状态，上管 Q1 则进行开关动作。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，具体情况如图 1 所示：
在上述测试中，通过开关上管 Q1，来测试下管 Q2 因寄生电感和米勒效应产生的驱动电压尖峰，示意图如下：
为了消除 PCB 板的寄生参数对测试波形的影响，瞻芯电子针对 TO247 - 3 和 TO247 - 4 这两种封装，分别制作了两块双脉冲测试板，具体如图 3 所示：
具体的测试设备配置包括信号发生器、直流电源、负载电感、示波器以及高带宽的非隔离探头或光隔离探头。其中，非隔离探头采用接地环，以获取更准确的测试结果，测试设备环境如图 4 所示：
- 用 0V 关断电压时的参考电路与波形
如果不采取抑制尖峰措施，驱动电路如图 5 所示：
当关闭上管 Q1 的过程中，测试下管 Q2 的栅极 (Gate) 和源极 (Source) 引脚之间的电压 (Vgs)，会出现较大的驱动电压 (Vgs) 负尖峰 (-4.9V) 和正尖峰震荡，波形如图 6 所示：
在以上波形图中，负压尖峰按不同成因分为两段：段是当 Vds 下降过程中 dv/dt 较大，因米勒电容放电，放电电流在 Rg 上产生压降，从而使 Vgs 产生下拉负尖峰；第二段在 Vds 下降到 0V 后，Vgs 出现负尖峰和正尖峰震荡，这是体二极管续流的 di/dt 在源极引脚的寄生电感产生的。
2. 用 - 3.5V 关断电压时的参考电路与波形
瞻芯电子的 SiC MOSFET 推荐断负压范围是 - 3.5V ~ - 2V，这里选择值 - 3.5V 电压驱动，来测试串扰引发的尖峰，电路如图 7 所示：
当上管 Q1 关断时，如图 7 所示：绿色的 Vds 降低到 0V 过程中，蓝色的下管 Q2 的 Vgs 因 Q2 的米勒电容 Cgd 放电，进而在驱动电阻 Rg 上产生压降，即为测试波形中 - 3.5V 下方的负尖峰。在 Vds 下降到 0V 后，下管 Q2 的 Vgs 又因源极寄生电感和 di/dt，而产生更低的负尖峰和正尖峰震荡。
当上管 Q1 开通时，如图 8 所示，在绿色 Vds 为 0V 的阶段，蓝色的下管 Q2 的驱动电压 Vgs 因体二极管电流转移和反向恢复，而在源极寄生电感上产生较大正尖峰 (2.58V) 和震荡。在 Vds 上升的阶段，Vgs 尖峰主要由 Cgs 与寄生电感导致的震荡。
综合上述分析，串扰尖峰主要有两方面原因：
- 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。
- 开盖测试 SiC MOSFET 驱动电压
由于 SiC MOSFET 的驱动电压尖峰的主要原因之一是驱动回路里的 MOSFET 源极电感，所以针对 TO247 - 3 封装器件，如果要得到更真实的管芯驱动波形，可去掉器件的塑封材料，直接从芯片上测试驱动电压，这样可以对比呈现引脚上和管芯上的驱动波形差异。
其中 VG_LS 是测源极引脚与栅极引脚之间的电压；VG_LS_K 是测管芯源极与栅极之间的电压，测试点如图 10 所示：
测试中，下管 Q2 保持关断，上管 Q1 进行开关动作，过程如图 11 所示：
在上管 Q1 初次开通时 (1 st Rising)，如图 12 所示：虽然从引脚测试 VG_LS 有较大正尖峰及震荡，但蓝色的管芯 VG_LS_K 显示驱动电压波动很小，几乎没有明显尖峰，比较安全。
在上管 Q1 初次关断时 (1 st Falling)，如图 13 所示：虽然从引脚测得绿色的 VG_LS 有较大的负尖峰及震荡；管芯上 VG_LS_K 几乎没有负压尖峰，但有正尖峰，与 VG_LS 的差异较大。
上管关断后，电感电流通过下管的体二极管续流，在下管的源极电感上产生 “下正上负” 的自感电动势。由于 VG_LS 测量的是引脚上的电压，因此 VG_LS 会下降，产生负尖峰。而 VG_LS_K 测的是管芯上的电压，自感电动势会对 Cgs 充电，让 VG_LS_K 抬升。所以会看到引脚与管芯上的电压呈现相反的尖峰波形。
在上管 Q1 第二次开通时 (2 nd Rising)，如图 14 所示：管芯 VG_LS_K 没有正尖峰，但有平缓的负尖峰，这是由于下管的反向恢复电流，抬升了源极电动势，从而让 Vgs - k 出现负尖峰。
为了对比呈现不同长度的管脚寄生电感的影响，在第二次开通上管 Q1 时，分别从长 / 短源极管脚去测试驱动电压 Vgs，两组波形如图 15/16 所示：
如图 16 所示，当用较长的源极引脚测试时，管芯真实驱动电压有更大的过冲和震荡，而且超过 SiC MOSFET 阈值电压 (Vth)，导致下管 Q2 误开通和较大 Vds 震荡。
- 驱动串扰尖峰的主要原因有两点：
- 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。
- SiC MOSFET 管芯的真实驱动电压，与 TO247 - 3 引脚测到的驱动电压可能呈现相反的尖峰波形。
- 若管脚测到超规格的驱动波形，可进一步确认管芯的真实驱动电压。
- 若从长引脚测得较大 Vds 震荡，可能器件有误开通，甚至损坏器件。
- 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。
