對於半導體功率元件來說，閘極電壓的取值對元件特性影響很大。 以前曾經聊過閘極負壓對裝置開關特性的影響，而今天我們來一起看看閘極正電壓器件對裝置的影響。 文章將會從導通損耗，開關損耗和短路性能來分別討論。

無論是MOSFET或IGBT，都是受閘極控制的裝置。 在相同電流的條件下，一般閘極電壓用得越高，導通損耗越小。 因為閘極電壓越高代表通道反型層強度越強，由閘極電壓而產生的通道阻抗越小，流過相同電流的壓力降就越低。 不過元件導通損耗除了受這個閘極通道影響外，還和晶片的厚度有很大的關係，一般越薄的導通損耗越小，所以同等晶片面積下寬禁帶的元件導通損耗要小得多。 而相同材料下耐壓越高的裝置就會越厚，導通損耗就會變大。 這種由晶片厚度引起的導通損耗不受閘極電壓影響，所以元件耐壓越高，閘極電壓即使進一步增加對導通損耗貢獻是有限的。

我們從裝置的規格書中很容易得到這個結論，如圖1的a、b分別是一個IGBT元件IKW40N120CS7的輸出特性曲線。 在相同的IC電流下，閘極電壓越高，對應的輸出線越陡，VCE飽和壓力降越小。 但是閘極電壓大於15V後，即使閘極電壓再升高，VCE飽和壓降變小得不多了。 所以IGBT選用15V驅動是不錯的選擇。

SiC MOSFET的導通損耗表現相類似，如圖2所示為IMW120R030M1H的輸出特性。 相較於圖1的橫座標，圖2的電壓跨度更大，也就是說SiC MOSFET適合閘極電壓更高（例如18V），導通損耗更小，獲益更大。 但考慮閘極氧化層的可靠性，使用電壓一般不會超過20V，英飛凌1200V的SiC MOSFET建議使用電壓為18V。

綜合以上兩者特性來說，1200V的IGBT一般在15V以後，變化不明顯，而1200V的SiC MOSFET則變化大，如圖3。 這主要是因為對於1200V等級的SiC MOSFET來說，通道電阻所佔比重較大，而減少通道電阻的有效手段就是提高閘極電壓。

另外，閘極的正壓對降低開關損耗也是有幫助的。 因為開通的過程相當於對閘極電容充電的過程，初始電壓越大，充電越快，一般來說開通損耗越小。 而關斷損耗則受閘極負壓影響，幾乎不受閘極正電壓影響。我們利用了雙脈衝平台進行開關波形的測試。 圖4是SiC MOSFET的開關損耗在不同閘極電壓和不同IC電流下的表現。 圖5是IGBT的開通損耗。 而由於SiC MOSFET的開關損耗絕對值比IGBT小得多，所以從開關損耗降低的比例來看，SiC MOSFET效果更明顯。

凡事有得有失，雖然閘極電壓高對導通損耗和開通損耗都好，但是會犧牲短路性能。 下式為MOSFET短路電流的理論公式，IGBT短路行為與MOSFET類似。 式中μn為電子的遷移速率，Cox為單位面積柵極氧化層電容，W/L為氧化層寬長比，Vgs為驅動正電壓，Vth為閘極閾值電壓。 從式中可以看出，閘極正電壓越大，電流就會明顯上升。

例如IGBT在閘極電壓15V下有10μs的短路能力，但在閘極16V時，短路能力會下降到7μs不到，如圖6。 對SiC MOSFET而言，相同電流的晶片面積小得多，且可能工作在更高的母線電壓導致短路瞬態能量更大，如果閘極電壓超過15V，甚至會失去短路耐受能力。

文章來源：英飛凌工業半導體