SiC MOSFET中Crosstalk波形错误的原因

Crosstalk（串扰）

图1

在图1的半桥电路中，动作管为下管S1，施加在上管S2的为关断驱动信号，其体二极管处于续流状态。当S1进行开通时，其端电压VDS1下降，则S2开始承受反向电压，其两端的电压VDS2以dV/dt的速度快速上升。那么dV/dt就会通过S2的Crss产生位移电流Irss=Crss*dV/dt，Irss会流入S2的驱动回路，对CGS充电，并在RG上产生压降。最终导致的结果就是S2的驱动电压被向上拉起，出现一个正向的尖峰，如果超过S2的Vth，则会导致误导通，轻则增加损耗，重则桥臂短路发生炸机。我们将这一过程称为正向Crosstalk。

图2

S1依旧为动作管，只是这次它进行的是关断。此时整个过程与正向Crosstalk原理一样，只是电压和电流的变换方向相反，最终S2的驱动电压被向下拽，出现一个反向的尖峰。我们都知道SiC MOSFET栅极耐压能力很差，负向的尖峰会对其栅极造成损伤，影响SiC MOSFET的寿命或直接将其栅极击穿。我们将这一过程称为负向Crosstalk。

图3

图4

其实无论是Si MOSFET还是IGBT都存在Crosstalk的问题，并不是SiC MOSFET特有的。但是SiC MOSFET开关速度更快、Vth偏小（一般在2.5V-4.5V）、栅极耐压能力较弱，这就使得Crosstalk对SiC MOSFET而言后果更加严重、处理起来更加困难。

为了抑制Crosstalk，首先要做到的是测得准确的Crosstalk波形。但由于以下两大原因，使得工程师往往获得是错误的波形，常常导致一通操作猛如虎，实际效果两毛五。

原因1：寄生参数影响

在刚才讲解Crosstalk原理的时候，为了表达简洁，图1和图3中所给出的电路图是进行简化后的。当考虑很多存在的寄生参数后，我们得到图5中给出的等效电路。SiC MOSFET芯片上实际的驱动电压为VGS，而我们使用电压探头获得的是VGS-M。两者的区别是VGS-M不光包含了VGS，还包含了SiC MOSFET芯片栅极电阻RG(int)上的压降VRG和寄生电感L上的压降VL。导致这种情况发生的原因是电压探头无法直接接在SiC MOSFET的芯片上，只能接在器件封装的引脚上，则RG(int)和L都在测量点之间。

图5

通过仿真结果可以看到，通过电压探头测量得到的Crosstalk波形都比实际发生的Crosstalk偏低，这就是说，由于寄生参数的影响，Crosstalk的严重程度被低估了。这就会导致以下两种情况：一是通过测量结果判断Crosstalk在可接受范围内，然而实际已经发生误导通；二是工程师费了很大功夫，看似将Crosstalk抑制住了，实际还差很远。由于RG(int)和L无法避免，也就是这种测量误差无法被消除，那么电源工程师在使用SiC MOSFET时就需要为Crosstalk留出足够的裕量。

同时，测量结果与真实Crosstalk之间的差别会随着RG(int)和L的增大而增大，这就启示我们可以选择RG(int)的SiC MOSFET，同时在进行测量时尽量将探头接在器件引脚的根部，这样就可以尽量缩小误差。

图6

图7

原因2：未使用合适的电压探头

在进行电源调试时，往往使用的是高压差分探头测量电压信号，其测量范围广、差分输入、高阻抗的特点深受电源工程是的喜爱。

图示为泰克高压差分探头

但在测量Crosstalk波形时差分探头就不再适用了。首先Crosstalk的幅度范围在±10V以内，高压差分探头的衰减倍数大，这就导致测量误差大、噪声大。其次，高压差分探头前端的测量线很长，相当于一个天线，会接收到SiC MOSFET开关过程中快速变化的电流产生的干扰信号，从而影响测量结果。最后，高压差分探头前端的测量线可以看做是电感，容易使得测量结果中出现本不存在的震荡。

从下边的实测结果中可以看到，使用高压差分探头测量得到的Crosstalk波形显得很粗，同时其震荡幅度很高，正向Crosstalk尖峰已经超过SiC MOSFET的Vth（3.5V），然而此时并未发生误导通，说明这样的测试结果是有问题的，同时负向Crosstalk尖峰也已经超过了SiC MOSFET栅极耐压极限（-10V）。而当使用光隔离探头得到的Crosstalk波形与使用高压差分探头的波形有着明显的区别，波形线条变细了，同时正向和负向Crosstalk尖峰都在可接受范围之内。这主要得益于光隔离探头可以选择更小的衰减倍数，同时其探头前段与器件的连接可实现最小环路连接。

图8

图9

以上是测量下管Crosstalk的波形，那么当我们需要测量上管Crosstalk的时候，情况又会如何呢。从下边的实测波形可以看出，使用高压差分探头得到的波形更加离谱了，其震荡的幅度超过了正向10V反向20V，而使用光隔离探头测得的波形依然在可接受范围之内，这主要得益于光隔离探头极佳的高频共模抑制比。

图10

图11

图示为泰克ISOVu新一代光隔离探头

由此可见，高压差分探头并不合适用于测量Crosstalk，得到错误的波形会对电路设计造成误导，浪费工程师的时间和精力。而选择光隔离探头可以获得准确的波形，无论是测量下管还是上管，都有非常优异的表现。

　　审核编辑：汤梓红