浅谈SiC MOSFET之双脉冲原理

1.双脉冲实验实验的必要性

在平常的使用中，我们基本通过芯片手册来了解功率器件的各种性能参数，但是手册中的参数的测量环境都是在理想状态下，与实际使用或多或少都会有差别。通过双脉冲实验可以获取器件在真实工况下的参数，对于产品设计很有帮助。

2.具体作用

评估驱动电阻数值是否合适，是否需要加吸收电路

衡量开关管在实际电路中的表现，主要有反向恢复电流，关断电压尖峰，开通关断时间

观察器件的栅极波形，评估驱动板是否能为开关管的开启提供足够的驱动电流

获取开关管在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon与Rgoff的选择是否合适

观察开通、关断过程是否有电压尖峰，评估实际应用是否需要吸收电路

评估二极管的反向恢复行为和安全裕量；

测量母排的杂散电感；

3.双脉冲的具体原理

从名字上可以看出，双脉冲是以两个脉冲的形式发送脉冲信号，这两个脉冲的区别一个宽一个窄。

测试的原理图

在直流侧加上直流电压 $V_{dc}$ ，上管处于截止状态，下管接收脉冲信号。其中，电感L为负载电感，流过L的电流为负载电流 $I_{L}$ 。

等效电路图

如上图所示，主电路上的杂散电感以及线路寄生电感用 $L_{\sigma }$ 表示，由于上管处于截止状态，相当于在负载电感侧并联一个续流二极管。栅极驱动电阻表示为Rg，MOSFET内的栅极寄生电阻表示为Rg_int，共同构成了器件的驱动回路电阻。栅极电感表示为Lg。

实验波形

由上图可以分析得出，第二个脉冲的时间不宜过长，否则电流可能会比较大，对电路造成威胁。与此同时，需要注意的是，该波形图为理想条件下的波形图，与实际还有一定的差别。

开关过程分析

0~t1：栅极驱动信号处于低电平，开关管没有导通，Vds为母线电压。

t1~t2：栅极驱动信号开始百纳威高电平，此时栅极电流开始对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，Vgs开始增大。直到在t2时刻达到阈值电压Vth。在这个阶段，MOS管一直没有导通，处于关断状态。该阶段又被称为开启延时阶段。

t2~t3：当栅源电压大于阈值电压之后，MOS管开始导通，IL开始逐渐增大，此时漏极的电位不断下降，这使得栅漏之间的电容增大。在该阶段，上下开关管进行换流，续流二极管的电流不断减小。在t3时刻，栅源电压Vgs达到米勒平台的电压Vmi。与此同时，由于杂散电容的存在，使得漏源电压不在等于母线电压。

在t3时刻出现电流过冲，原因是因为续流二极管的反向恢复电流的影响。

t3~t4：该阶段，栅极电流对米勒电容进行充电。此时负载电流逐渐达到稳定，续流二极管关断，此时上管的续流二极管所承受电压达到直流母线电压Vdc。

由于米勒电容的存在，栅极电流 Ig 持续给其充电，此阶段中栅源电压 Vgs 一直维持在米勒平台电压，而米勒平台的持续时间由米勒电容 Cgd 的大小决定。
t4~t5：此阶段Q2 处于完全导通状态，其栅源电压 Vgs 超过米勒平台电压 Vmi 并继续增大直至达到 Vhigh，漏极电流 Id 恒定为负载电流 IL，栅极电流下降至 0，漏源电压 Vds 逐渐降至Vds_on。

在MOSFET的开通过程中，MOSFET 所产生的损耗 Esw 就是漏源电压 Vds 与漏源电流 Id乘积的积分值。

$E_{sw}=\int_{t_{st}}^{t_{en}}V_{ds}I_{d}dt$

ten、tst 分别表示开关过程的起始时刻与结束时刻。

在t3时刻之后，MOSFET上管Q1的体二极管完全关断，电流减小至0。此时Q1的输出电容开始充电，此时产生损耗，称为 $E_{C1.ton}$ ，该电流为电感电流，流经Q2管，可以被测量到。Q2管的与此同时Q2管的输出电容开始放电，产生一部分损耗，但该放电过程是由寄生参数引起的，无法测量。

在t4时刻之后，Q2的输出电容放电结束，Q2电压下降到 $V_{ds\_on}$ ,开关管的开通过程结束。

t5~t6：下管Q2持续导通，驱动电路持续发出高电平信号，漏源电压 Vds 等于器件开通电压 Vds_on，漏极电流 Id 恒定为负载电流。

t6~t7：开始关断，输入电容开始放电，Vgs逐渐开始下降到米勒平台Vmi。此时Q2仍然处于导通状态，Q1处于导通状态。

t7~t8：此阶段米勒电容的持续放电，栅源电压Vgs一直保持在米勒平台电压不变，此时漏极电流Id恒定为负载电流IL，漏源电压Vds迅速上升直至母线电压Vdc。该阶段也可称为电压上升阶段。

t8~t9：此阶段栅源电压Vgs小于米勒平台电压Vmi，米勒电容Cgd和栅源电容Cgs持续放电，下管Q2的漏极电流Id 持续减小至0，并且上管Q1的体二极管正向导通，开始续流。

由于电流的迅速下降，高开关频率下的di/dt在主电路的寄生电感上产生感应电压并在漏源电压Vds 上产生电压尖峰，在t9时刻Vgs下降至器件阈值电压Vth。该阶段又可称作电流下降阶段。

t9~t10：此阶段栅源电压Vgs持续降低直至低电平Vlow。此时下管Q2 处于完全关断状态，续流二极管完全导通并提供负载电流的续流回路，栅源极间电容Cgs也持续放电直至低电平Vlow，至此器件的开关过程完全结束。

在整个关断过程中，t7时刻之前，Q2一直处于导通状态。到达t7时刻时，Q2 接收到关断信号。此时负载电流给MOSFET下管Q2的输出电容充电， Q2的电压逐渐升高。而此漏源电流流经引脚，可以被测量到，这一段时间内开关管产生的损耗记为EC2.off。在同一时刻下，MOSFET上管Q1的输出电容Coss.Q1放电，放电电流流经桥臂中点时有一部分电流流经MOSFET上管Q1的体二极管，因此漏极电流波形存在一部分下降的情况。（当MOSFET关断时，Coss放电的电流会流经MOSFET的漏极。由于体二极管的存在，一部分这个放电电流可能会通过体二极管而不是MOSFET的主沟道。由于体二极管的电阻通常比MOSFET的主沟道电阻大，因此通过体二极管的电流会导致漏极电流的波形出现一部分下降的情况。）