碳化硅MOSFET的串扰来源与应对措施详解

以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体器件应用越来越广泛，成为高压、大功率应用（如电动汽车、可再生能源并网、工业驱动等）的核心器件。碳化硅MOSFET凭借低导通电阻、高开关频率和优异的耐高温性能，能够显著减小系统尺寸、重量并提升整体效率。

然而，碳化硅MOSFET高频开关的特性是一把双刃剑。极高的电压变化率（dv/dt，能够比较轻易的超过10kV/μs，甚至可达50kV/μs）和电流变化率（di/dt）会与电路中的寄生电容和寄生电感相互作用，引发一系列问题，如电压过冲、振荡、电磁干扰（EMI）以及串扰（CROSSTALK）。

什么是串扰？

串扰，特指在半桥等拓扑结构中，一个MOSFET的开关动作通过寄生路径耦合，导致另一个本应保持关断状态的MOSFET栅极上产生非预期的电压波动。这种波动若足够大，可能导致栅极电压超过器件的阈值电压Vth，引发误开通或寄生导通，造成上下桥臂瞬间直通（那就直接短路啦！），这不仅会带来巨大的额外开关损耗，严重时甚至会导致炸管和系统失效。

-上图为开通过程中的串扰现象，可以看到互补管的门极随着dv/dt的快速增大，互补管的门极迅速抬升，Vgs尖峰达到了-1.0V。（出自-张宇，李先允，王书征等；SiC MOSFET栅源回路参数的串联扰动研究[J]；电气传动，2021，51(16)：33-38.）

串扰的物理机制

串扰现象的核心物理机制源于MOSFET的结电容，特别是栅-漏极之间的米勒电容（Cgd，或Crss）。根据电容的电荷存储特性 i = C * dv/dt，当MOSFET漏-源极之间电压（Vds）发生急剧变化（即高dv/dt）时，即使是很小的Cgd也能产生显著的位移电流（米勒电流），这个现象我们叫米勒效应。其实不管是IGBT、硅基MOSFET和碳化硅MOSFET都有米勒效应，但是由于碳化硅MOSFET的Vth普遍较低，这是其易受串扰影响的主要内因。

开通串扰

我们先来聊开通串扰，其为实践中最为危险的一种串扰形式。

以高边管开通，低边管受扰为例，首先，当高边管栅极接收到开通信号，其Vgs上升并导通。此时，桥臂中点的电压会从接近地电位迅速上升至直流母线电压。由于低边管的源极接地，其中点电压的快速上升等效于低边管的Vds以极高的dv/dt速率上升。这个高dv/dt作用在低边管的米勒电容Cgd上，产生一个从漏极流向栅极的米勒电流（Igd） i_miller = Cgd * dv/dt，该米勒电流需要通过低边管的栅极驱动回路流回其源极。这个回路包含外部栅极电阻（Rg_ext）、驱动芯片的输出阻抗（R_driver）以及内部栅极电阻（Rg_int）。电流流经这些阻抗，会在低边管的栅-源极（Vgs）上产生一个正向的电压抬升：

Vgs_crosstalk = i_miller * (Rg_ext + R_driver + Rg_int) 。

如果这个感应出的Vgs_crosstalk峰值超过了低边管的阈值电压Vth，低边管就会被意外地部分或完全导通。

关断串扰

我们再来聊关断串扰，关断串扰的机制相对复杂，通常涉及两种耦合路径。

dv/dt引起的电容耦合：与开通串扰类似，当高边管关断时，低边的Vds上产生一个负向的高dv/dt。这个负向的dv/dt通过Cgd会试图将低边管的栅极电压拉低。在半桥结构中，更典型的关断串扰是指主动器件关断时，对另一个处于关断状态的器件栅极产生的影响。低边管关断时，高边管（已关断）的Vds会从Vbus变为0，这个负的dv/dt会通过高边管的Cgd，在其栅极感应出负电压尖峰。

di/dt引起的电感耦合：这是关断串扰中一个与共源极电感密切相关的机制，且有无开尔文引脚会影响电感的分析。对于受扰的关断器件，主动器件电流的快速变化会通过寄生电感互感，在其栅极回路上感应出电压噪声。

影响串扰的因素

串扰的发生有很多原因，其严重程度是多种因素综合作用的结果。文章篇幅有限，不便过多扩展，只讲几个比较关键的点：

首先是器件内部的参数，Ciss/Coss输入电容与米勒电容的比值、阈值电压（Vth）的高低、温度特性。重点提一下温度特性，碳化硅MOSFET的Vth具有显著的负温度系数，即随着结温升高，Vth会降低。这意味着在高温工作条件下，器件的抗串扰能力会进一步下降，误开通的风险会加剧。因此，在设计抑制策略时必须考虑最坏情况，即最高工作温度。

其次是驱动电路的寄生参数：驱动电阻（Rg）、驱动电压、回路电感、共源极电感、功率回路电感。

串扰的应对措施

使用主动米勒钳位

主动米勒钳位通常被集成在专用的碳化硅MOSFET栅极驱动芯片中。其工作原理流程是这样的：

驱动器接收到关断指令，主输出级将MOSFET的栅极电压拉低。驱动芯片内部有一个比较器，持续监测MOSFET的栅极电压。当栅极电压下降到一个预设的安全阈值以下时（例如，相对于负电源轨VEE为2.2V），比较器会触发，导通一个内部的低阻抗开关。下图中T8这个钳位开关闭合后，将主功率MOSFET的栅极直接连接到负电源轨（VEE）或地。这个通路的导通电阻极低，为后续可能出现的米勒电流提供了一个泄放路径。该钳位状态会一直保持，直到下一个开通指令到来。

我司专为碳化硅MOSFET设计了一系列自研驱动IC，包括BTD5350x系列、BTD25350x系列、BTD21520x系列。

我们的门极驱动芯片包括隔离驱动芯片，自举桥式驱动芯片和低边驱动芯片，绝缘最大浪涌耐压可达8000V，峰值电流高达正负15A，可支持耐压1700V以内功率器件的门极驱动需求。

其中BTD5350x系列和BTD2535x系列中一些特定型号副方驱动器带米勒钳位功能脚clamp，驱动器输出峰值电压可达10A，clamp脚内阻典型值约为350mΩ，钳位峰值电流能达到10A！

驱动板的设计优化

驱动回路电感控制，这比较考验PCB layout和功率回路设计的工程师。优化的核心原则是基于电磁场理论：电感与电流环路的面积成正比，与导体的宽度成反比。所有布局优化的目标都可以归结为：最小化驱动电流环路的面积。

在驱动IC的电源引脚（VCC和VEE/GND）处，必须尽可能近地放置低ESL的陶瓷去耦电容，这些电容为栅极充放电提供瞬时的高频电流，减小了从主电源到驱动IC的电流环路面积。

通过施加一个负的关断电压（如-2V至-5V），提高了实际的开启门槛，这是抑制开通串扰最直接有效的方法之一。

Rg的选择比较麻烦，需要在开关速度、损耗、振荡和串扰之间进行权衡，所以我们常常感觉碳化硅MOSFET的双脉冲特别不好做，门极参数匹配需要比较多的经验。（在测试前可以用仿真预先摸一把门极参数）

以上为青铜剑技术和基本半导体团队联合研发的系列驱动器，BSRD-2427和BSRD-2503分别适配34mm、62mm碳化硅半桥模块，集成米勒钳位。驱动器所应用到的双通道隔离变压器TR-P15DS23-EE13、单通道隔离驱动芯片BTD5350MCWR、正激DCDC电源芯片BTP1521x三款零件均为公司自主研发产品，客户可分别采购进行整体方案的设计。

参考文献：

-张宇，李先允，王书征等；SiC MOSFET栅源回路参数的串联扰动研究[J]；电气传动，2021，51(16)：33-38.

-刘敏安，罗海辉，卢圣文，王旭，李诚；SiC MOSFET模块串扰问题及应用对策研究；机车电传动，2023，2：36-42.

- Infineon, CoolSiCTMMOSFET 650 V M1 trench power device.

- Raszmann, Emma Barbara，Series-Connection of Silicon Carbide MOSFET Modules using Active Gate-Drivers with dv/dt Control.