介紹
對於半導體功率器件來說，柵極電壓的值對器件的特性有很大影響。 過去我們講過柵極負電壓對器件開關特性的影響，今天我們就來看看柵極正電壓對器件的影響。 在本文中，我們將討論導通損耗、開關損耗和短路效能。
MOSFET和IGBT都是柵極控制器件。 在相同電流條件下，柵極電壓越高，導通損耗越小。 因為柵極電壓越高，溝道反層越強，柵極電壓引起的溝道阻抗越小，相同電流上的壓降越低。 但是，除了受此柵極通道的影響外，器件的導通損耗還與晶元的厚度有很大關係，通常導通損耗越薄，導通損耗越小，因此在相同晶元面積下具有寬禁帶的器件的導通損耗要小得多。 相同材料的耐壓越高，器件越厚，導通損耗越大。 這種由晶元厚度引起的導通損耗不受柵極電壓的影響，因此器件的耐壓越高，柵極電壓對導通損耗的貢獻有限。
從器件規格中可以很容易地得出這個結論，如圖1所示，A和B分別是IGBT器件IKW40N120CS7的輸出特性曲線。 在相同的IC電流下，柵極電壓越高，相應的輸出線越陡峭，VCE飽和壓降越小。 但是，當柵極電壓大於15V時，即使柵極電壓再次公升高，VCE飽和壓降也會變小得多。 因此，IGBT使用15V驅動器是乙個不錯的選擇。
圖1A25是IGBT的典型值。
輸出特性曲線。
圖1b 175是IGBT的典型值。
輸出特性曲線。
SiC MOSFET的導通損耗相似，如圖2所示，IMW120R030M1H的輸出特性。 與圖1所示的橫坐標相比，圖2具有更大的電壓跨度，這意味著SiC MOSFET適用於更高的柵極電壓（例如18V）、更低的導通損耗和更大的優勢。 但考慮到柵極氧化層的可靠性，工作電壓一般不超過20V，英飛凌的1200V SiC MOSFET建議使用18V。
圖 2a25 SIC 下的典型值。
輸出特性曲線。
圖2B175是SIC下的典型圖。
輸出特性曲線。
就上述兩個特性而言，1200V IGBT在15V後一般變化不大，而1200V SiC MOSFET變化較大，如圖3所示。 這主要是由於對於1200V SIC MOSFET來說，溝道電阻佔了很大的比例，而降低溝道電阻的有效方法是提高柵極電壓。
圖3 IGBT和SiC MOSFET在1200V時的導通壓降比較。
此外，澆口處的正壓也有助於降低開關損耗。 因為導通過程相當於柵極電容的充電過程，初始電壓越大，充電速度越快，一般來說，導通損耗越小。 關斷損耗受柵極負電壓的影響，幾乎不受柵極正電壓的影響。 我們使用雙脈衝平台來測試開關波形。 圖4顯示了SIC MOSFET在不同柵極電壓和IC電流下的開關損耗。 圖5顯示了IGBT的導通損耗。 由於SiC MOSFET的絕對開關損耗遠小於IGBT，因此SiC MOSFET在開關損耗降低比例方面的效果更為明顯。
圖4 SiC MOSFET的開關損耗
圖5 IGBT的開關損耗
有損也有增益，雖然高柵極電壓對導通和導通損耗都有好處，但它是以短路效能為代價的。 以下公式是MOSFET短路電流的合理公式，IGBT短路行為與MOSFET相似。 其中 n 是電子的遷移速率，Cox 是單位面積的柵極氧化物電容，W L 是氧化物縱橫比，VGS 是驅動正電壓，Vth 是柵極閾值電壓。 從方程中可以看出，柵極正電壓越高，電流越大。
例如，IGBT在柵極電壓為15V時具有10 s的短路能力，但在柵極電壓為16V時，短路能力降至7 s以下，如圖6所示。 對於SiC MOSFET，相同電流的晶元面積要小得多，並且可以在更高的總線電壓下工作，從而導致更大的短路瞬態能量，甚至在柵極電壓超過15V時失去短路容差。
圖6 IGBT短路能力與柵極電壓的關係
結論。 對於IGBT和SiC MOSFET，使用的柵極正電壓越高，導通和導通損耗越低，這有利於整體開關效率。 但是，它會影響器件的短路容限。 如果使用SiC MOSFET時不需要短路能力，建議適當增加柵極處的正電壓。
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