如何抑制SiC MOSFET Crosstalk（串擾）？

Crosstalk（串擾）

圖1

在圖1的半橋電路中，動作管為下管S1，施加在上管S2的為關斷驅動信號，其體二極管處於續流狀態。當S1進行開通時，其端電壓VDS1下降，則S2開始承受反向電壓，其兩端的電壓VDS2以dV/dt的速度快速上昇。那麼dV/dt就會通過S2的Crss產生比特移電流Irss=Crss*dV/dt，Irss會流入S2的驅動回路，對CGS充電，並在RG上產生壓降。最終導致的結果就是S2的驅動電壓被向上拉起，出現一個正向的尖峰，如果超過S2的Vth，則會導致誤導通，輕則增加損耗，重則橋臂短路發生炸機。我們將這一過程稱為正向Crosstalk。

圖2

S1依舊為動作管，只是這次它進行的是關斷。此時整個過程與正向Crosstalk原理一樣，只是電壓和電流的變換方向相反，最終S2的驅動電壓被向下拽，出現一個反向的尖峰。我們都知道SiC MOSFET栅極耐壓能力很差，負向的尖峰會對其栅極造成損傷，影響SiC MOSFET的壽命或直接將其栅極擊穿。我們將這一過程稱為負向Crosstalk。

圖3

圖4

其實無論是Si MOSFET還是IGBT都存在Crosstalk的問題，並不是SiC MOSFET特有的。但是SiC MOSFET開關速度更快、Vth偏小（一般在2.5V-4.5V）、栅極耐壓能力較弱，這就使得Crosstalk對SiC MOSFET而言後果更加嚴重、處理起來更加困難。

為了抑制Crosstalk，首先要做到的是測得准確的Crosstalk波形。但由於以下兩大原因，使得工程師往往獲得是錯誤的波形，常常導致一通操作猛如虎，實際效果兩毛五。

原因1：寄生參數影響

在剛才講解Crosstalk原理的時候，為了錶達簡潔，圖1和圖3中所給出的電路圖是進行簡化後的。當考慮很多存在的寄生參數後，我們得到圖5中給出的等效電路。SiC MOSFET芯片上實際的驅動電壓為VGS，而我們使用電壓探頭獲得的是VGS-M。兩者的區別是VGS-M不光包含了VGS，還包含了SiC MOSFET芯片栅極電阻RG(int)上的壓降VRG和寄生電感L上的壓降VL。導致這種情况發生的原因是電壓探頭無法直接接在SiC MOSFET的芯片上，只能接在器件封裝的引脚上，則RG(int)和L都在測量點之間。

圖5

通過仿真結果可以看到，通過電壓探頭測量得到的Crosstalk波形都比實際發生的Crosstalk偏低，這就是說，由於寄生參數的影響，Crosstalk的嚴重程度被低估了。這就會導致以下兩種情况：一是通過測量結果判斷Crosstalk在可接受範圍內，然而實際已經發生誤導通；二是工程師費了很大功夫，看似將Crosstalk抑制住了，實際還差很遠。由於RG(int)和L無法避免，也就是這種測量誤差無法被消除，那麼電源工程師在使用SiC MOSFET時就需要為Crosstalk留出足够的裕量。

同時，測量結果與真實Crosstalk之間的差別會隨著RG(int)和L的增大而增大，這就啟示我們可以選擇RG(int)的SiC MOSFET，同時在進行測量時盡量將探頭接在器件引脚的根部，這樣就可以盡量縮小誤差。

圖6

圖7

原因2：未使用合適的電壓探頭

在進行電源調試時，往往使用的是高壓差分探頭測量電壓信號，其測量範圍廣、差分輸入、高阻抗的特點深受電源工程是的喜愛。

圖示為泰克高壓差分探頭

但在測量Crosstalk波形時差分探頭就不再適用了。首先Crosstalk的幅度範圍在±10V以內，高壓差分探頭的衰减倍數大，這就導致測量誤差大、噪聲大。其次，高壓差分探頭前端的測量線很長，相當於一個天線，會接收到SiC MOSFET開關過程中快速變化的電流產生的幹擾信號，從而影響測量結果。最後，高壓差分探頭前端的測量線可以看做是電感，容易使得測量結果中出現本不存在的震蕩。

從下邊的實測結果中可以看到，使用高壓差分探頭測量得到的Crosstalk波形顯得很粗，同時其震蕩幅度很高，正向Crosstalk尖峰已經超過SiC MOSFET的Vth（3.5V），然而此時並未發生誤導通，說明這樣的測試結果是有問題的，同時負向Crosstalk尖峰也已經超過了SiC MOSFET栅極耐壓極限（-10V）。而當使用光隔離探頭得到的Crosstalk波形與使用高壓差分探頭的波形有著明顯的區別，波形線條變細了，同時正向和負向Crosstalk尖峰都在可接受範圍之內。這主要得益於光隔離探頭可以選擇更小的衰减倍數，同時其探頭前段與器件的連接可實現最小環路連接。

圖8

圖9

以上是測量下管Crosstalk的波形，那麼當我們需要測量上管Crosstalk的時候，情况又會如何呢。從下邊的實測波形可以看出，使用高壓差分探頭得到的波形更加離譜了，其震蕩的幅度超過了正向10V反向20V，而使用光隔離探頭測得的波形依然在可接受範圍之內，這主要得益於光隔離探頭極佳的高頻共模抑制比。

圖10

圖11

圖示為泰克ISOVu新一代光隔離探頭

由此可見，高壓差分探頭並不合適用於測量Crosstalk，得到錯誤的波形會對電路設計造成誤導，浪費工程師的時間和精力。而選擇光隔離探頭可以獲得准確的波形，無論是測量下管還是上管，都有非常優异的錶現。