（中车株洲电力机车研究所材料与工程研究院 湖南株洲 412001）
摘要：本文分析了引起SiC栅极振荡的原因，并根据不同的原因通过实验采取了不同的措施抑制振荡，以达到增强SiC栅极可靠性的目的。
关键词：SiC，栅极振荡
Reason of SiC gate oscillation and the solution
Xiaonian Wang
（CRRC Research of Electrical Technology & Material Engineering，Zhuzhou，Hunan 412001，China）
Abstract：This paper analyzed different causes of SiC gate oscillation and based on different reasons，it tested different methods to suppress the oscillation which could reduce the reliability of SiC gate.
Key words：SiC，gate oscillation，
1 引言
SiC作为新一代半导体材料，相较于Si器件，具有更高的热导率、更高的耐压与阻断电压，对于宇宙射线的侵入有着更高的可靠性，因此，反应到变流器上，使用SiC作为变流器的基础器件，可以提升功率密度，降低损耗，提高频率，从而达到变流器减重增效的目的。
虽然有着诸多优势，但目前SiC的大批量应用仍然存在着问题，除了SiC衬底缺陷，良率较低，导致价格居高不下之外，SiC门极的可靠性也是问题之一，而门极可靠性的影响因素之一就是门极的振荡。
2 SiC栅极振荡的原因
相较于Si器件，SiC由于其栅极电容更小，栅极充电电荷量更低，往往比Si有着更快的开关速度，更高的dv/dt；而由于电路中寄生参数的存在，高dv/dt使得寄生参数发生了谐振，产生了振荡，这种振荡将使开关管承受非常高的电应力[1]，严重时甚至能导致器件损坏，而寄生参数主要可以分为两个部分：
①驱动回路寄生参数：
驱动回路寄生参数主要包括驱动板到SiC栅极的连接线（即驱动线）上的电感L1，栅极内部的寄生电感L2，栅源极之间的寄生电容C，寄生电阻R，以及当开关管处于开通状态时，由外部（即驱动板）上接入的大阻值的栅极电阻R1，这几项参数构成了一个谐振网络，造成了栅极电压的振荡。
②功率回路寄生参数：
功率回路（即主回路）的寄生参数主要包括走线电感Lbus，SiC漏极电感Ld，漏源极之间的寄生电容CJ1，支撑电容的寄生电感Lc，以及回路上的寄生电阻Rbus构成了谐振网络，当主回路电压电流产生振荡时，这种振荡会通过SiC的米勒电容耦合到栅极从而导致栅极的振荡。
电路的模型图如下图：（图2中L∑、C∑、R∑分别为电路中寄生电感、寄生电容、寄生电阻之和）
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图1 带寄生参数的换流回路模型 图2 简化模型
若以图1中Q两端电压Uds作为分析对象，易知该电路为一个典型的二阶电路[2]，而根据二阶电路的特点：
[3] （1）
当（1）式成立时，Uds将发生欠阻尼振荡。
当然除此之外还有因为其他因素导致的振荡，在此暂不做讨论。
3 振荡的解决措施
针对不同原因的振荡，本文提出了不同的解决方案：
首先是对于驱动回路振荡：前文中提到，驱动回路的寄生参数中包括了驱动线上的寄生参数，因此，只需要改变驱动线的类型，即可以改变驱动线的寄生参数从而减小振荡，这里以A公司的SiC器件作为标准器件进行了实验，实验在其他条件相同的情况下使用了不同的驱动线，效果见下图：
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图3 使用高温导线与同轴电缆作为驱动线
由图3可见，红色为使用高温导线时，蓝色为使用同轴电缆时，而蓝色曲线的振荡明显较红色曲线的振荡较小，说明改变寄生参数起到了作用。
第二则是对于功率回路振荡，根据公式（1）的描述，为了避免振荡，只需使得R2C＞4L即可，因此首先可通过减小主回路的杂散电感，譬如调整支撑电容的端子结构，使用低感母排等方式，这里对比了两种不同母排（母排A、母排B）时，栅极的振荡情况：
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图4 使用不同母排时的栅极振荡
从图4可见，杂散电感较小的母排的栅极振荡明显较小。
同时根据公式（1），也可通过增大R与C来减小振荡，但增大R与C会减缓器件的开关速度，从而使器件损耗上升，因此不如减小杂感的方式，但这里仍使用了不同栅极电容进行了对比：
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图5 不同栅极电容下的栅极振荡
由图5可见，当栅极电容增大后，振荡几乎消失不见，效果非常明显。
4 结语
本文就SiC门极振荡的原因从不同维度进行了分析，并通过实验验证了抑制SiC门极振荡的方式，为提升SiC栅极的可靠性以及应用方面提供了一定的思路与努力的方向。
参考文献：
[1] 李志坚.SiC MOSFET保护技术及振荡问题探究[J].北京交通大学.
[2] 孙康康，陈燕平，忻兰苑，等.3300V全SiC MOSFET功率器件开关特性研究[J].大功率变流技术，2020（1）：36-37
[3] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2006：281-285