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日益广泛，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凭借其低导通电阻、高开关频率和优异的耐高温性能，可以显着减小系统尺寸和重量，并提高整体效率。

然而，碳化硅MOSFET的高频开关特性是一把双刃剑。极高的电压变化率（dv/dt，很容易超过10kV/s，甚至50kV/s）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，引起电压过冲、振荡、电磁干扰（EMI）和串扰（CROSSTALK）等一系列问题。

什么是串扰？

串扰特指在半桥等拓扑中，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的MOSFET 的栅极出现意外的电压波动。如果这种波动足够大，可能会导致栅极电压超过器件的阈值电压Vth，造成假开通或寄生导通，导致上下桥臂瞬间连通（然后直接短路！）。这不仅会造成巨大的额外开关损耗，严重时甚至可能导致爆管和系统故障。

-上图为开机过程中的串扰现象。可以看出，互补管的栅极随着dv/dt的快速增大而快速上升，Vgs峰值达到-1.0V。 (摘自张宇， 李先云， 王树政等； SiC MOSFET栅源环路参数串联扰动研究[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，特别是栅极和漏极之间的米勒电容（Cgd或Crss）。根据电容器i=C*dv/dt的电荷存储特性，当MOSFET的漏极和源极之间的电压（Vds）急剧变化（即高dv/dt）时，即使很小的Cgd也能产生显着的位移电流（米勒电流）。这种现象称为米勒效应。事实上，无论是IGBT、硅基MOSFET还是碳化硅MOSFET都具有米勒效应。然而，由于碳化硅MOSFET的Vth普遍较低，这是其容易受到串扰影响的主要原因。

打开串扰

我们先来谈谈开启串扰，这是实践中最危险的串扰形式。

以高边管导通、低边管受干扰为例。首先，当高边管的栅极收到导通信号时，其Vgs上升并导通。此时，桥臂中点电压将迅速从接近地电位上升到直流母线电压。由于低边管的源极接地，中点电压的快速上升相当于低边管的Vds以极高的dv/dt速率上升。这个高dv/dt 作用于低边管的米勒电容Cgd，产生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电路流回其源极。该环路包括外部门极电阻（Rg_ext）、驱动芯片的输出阻抗（R_driver）和内部门极电阻（Rg_int）。流经这些阻抗的电流将在低侧管的栅源极（Vgs）上产生正电压上升：

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

如果该感应Vgs_crosstalk峰值超过低侧晶体管的阈值电压Vth，则低侧晶体管将意外地部分或完全导通。

关闭串扰

我们再来说说关闭串扰。关闭串扰的机制相对复杂，通常涉及两个耦合路径。

dv/dt引起的电容耦合：与导通串扰类似，当高边管关断时，低边Vds上会产生负高dv/dt。这个负dv/dt 将尝试通过Cgd 将低侧管的栅极电压拉低。在半桥结构中，更典型的关断串扰是指有源器件关断时对处于关断状态的另一个器件的栅极的影响。当低侧管关闭时，高侧管（关闭）的Vds将从Vbus变为0。这个负dv/dt将穿过高侧管的Cgd并在其栅极处感应出负电压尖峰。

di/dt引起的电感耦合：这是与关断串扰中的共源电感密切相关的机制，开尔文引脚的有无会影响电感的分析。对于受干扰的关断器件，有源器件电流的快速变化会通过寄生电感互感在其栅极环路中感应出电压噪声。

影响串扰的因素

串扰发生的原因有很多，其严重程度是多种因素综合作用的结果。文章篇幅有限，不方便过多展开。我只讲几个关键点：

第一个是器件的内部参数、Ciss/Coss 输入电容与米勒电容的比率、阈值电压(Vth) 的水平以及温度特性。关注温度特性，碳化硅MOSFET的Vth具有显着的负温度系数，即随着结温的升高，Vth会降低。这意味着在高温工作条件下，器件的抗串扰能力将进一步下降，误开机的风险也会增加。因此，在设计抑制策略时必须考虑最坏的情况，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、环路电感、共源电感、电源环路电感。

串扰对策

使用有源米勒钳位

有源米勒钳位通常集成到专用碳化硅MOSFET 栅极驱动器芯片中。其工作原理流程如下：

驱动器收到关断命令，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。当栅极电压降至预设安全阈值以下（例如，VEE 相对于负电源轨为2.2V）时，比较器触发，打开内部低阻抗开关。下图中的钳位开关T8闭合后，将主功率MOSFET的栅极直接连接到负电源轨（VEE）或地。该路径的导通电阻极低，为可能的后续米勒电流提供放电路径。该钳位状态将保持直到下一个使能命令到达。

我公司专门针对碳化硅MOSFET设计了一系列自主研发的驱动IC，包括BTD5350x系列、BTD25350x系列、BTD21520x系列。

我们的栅极驱动芯片包括隔离驱动芯片、自举桥驱动芯片和低边驱动芯片。绝缘最高浪涌耐受电压可达8000V，峰值电流可达正负15A，可支持耐压1700V以内功率器件的栅极驱动要求。

其中，BTD5350x系列和BTD2535x系列的次级驱动器的部分特定型号配备了米勒钳位功能引脚。驱动器输出峰值电压可达10A。钳位引脚的典型内阻约为350m，钳位峰值电流可达10A！

驱动板设计优化

驱动环路电感控制是对PCB布局和电源环路设计工程师的考验。优化的核心原理基于电磁场理论：电感与电流环路面积成正比，与导体宽度成反比。所有布局优化的目标都归结为：最小化驱动电流环路的面积。

低ESL 陶瓷去耦电容器必须尽可能靠近驱动器IC 的电源引脚（VCC 和VEE/GND）放置。这些电容器为栅极充电和放电提供瞬时高频电流，减少了从主电源到驱动器IC的电流环路面积。

通过施加负关断电压（如-2V至-5V），提高实际导通阈值，这是抑制导通串扰最直接有效的方法之一。

Rg的选择很麻烦，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的双脉冲特别难做，栅极参数匹配需要更多的经验。 （测试前可以通过仿真来感受一下栅极参数）

以上是铜剑科技与基础半导体团队共同开发的一系列驱动程序。 BSRD-2427和BSRD-2503分别适配34mm和62mm碳化硅半桥模块，并集成米勒钳位。驱动器中使用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三部分均由公司自主研发。客户可以单独购买来设计整体解决方案。

参考文献：

——张宇、李先云、王树政等； SiC MOSFET栅源环路参数串联扰动研究[J];电力传输，2021，51（16）：33-38。

——刘民安、罗海辉、卢胜文、王旭、李成； SiC MOSFET模块串扰问题及应用对策研究；机车电气传动，2023，2：36-42。

- 英飞凌，CoolSiCTMMOSFET 650 V M1 沟槽功率器件。

- Raszmann、Emma Barbara，使用带dv/dt 控制的有源栅极驱动器串联碳化硅MOSFET 模块。