介绍
对于半导体功率器件来说，栅极电压的值对器件的特性有很大影响。 过去我们讲过栅极负电压对器件开关特性的影响，今天我们就来看看栅极正电压对器件的影响。 在本文中，我们将讨论导通损耗、开关损耗和短路性能。
MOSFET和IGBT都是栅极控制器件。 在相同电流条件下，栅极电压越高，导通损耗越小。 因为栅极电压越高，沟道反层越强，栅极电压引起的沟道阻抗越小，相同电流上的压降越低。 但是，除了受此栅极通道的影响外，器件的导通损耗还与芯片的厚度有很大关系，通常导通损耗越薄，导通损耗越小，因此在相同芯片面积下具有宽禁带的器件的导通损耗要小得多。 相同材料的耐压越高，器件越厚，导通损耗越大。 这种由芯片厚度引起的导通损耗不受栅极电压的影响，因此器件的耐压越高，栅极电压对导通损耗的贡献有限。
从器件规格中可以很容易地得出这个结论，如图1所示，A和B分别是IGBT器件IKW40N120CS7的输出特性曲线。 在相同的IC电流下，栅极电压越高，相应的输出线越陡峭，VCE饱和压降越小。 但是，当栅极电压大于15V时，即使栅极电压再次升高，VCE饱和压降也会变小得多。 因此，IGBT使用15V驱动器是一个不错的选择。
图1A25是IGBT的典型值。
输出特性曲线。
图1b 175是IGBT的典型值。
输出特性曲线。
SiC MOSFET的导通损耗相似，如图2所示，IMW120R030M1H的输出特性。 与图1所示的横坐标相比，图2具有更大的电压跨度，这意味着SiC MOSFET适用于更高的栅极电压（例如18V）、更低的导通损耗和更大的优势。 但考虑到栅极氧化层的可靠性，工作电压一般不超过20V，英飞凌的1200V SiC MOSFET建议使用18V。
图 2a25 SIC 下的典型值。
输出特性曲线。
图2B175是SIC下的典型图。
输出特性曲线。
就上述两个特性而言，1200V IGBT在15V后一般变化不大，而1200V SiC MOSFET变化较大，如图3所示。 这主要是由于对于1200V SIC MOSFET来说，沟道电阻占了很大的比例，而降低沟道电阻的有效方法是提高栅极电压。
图3 IGBT和SiC MOSFET在1200V时的导通压降比较。
此外，浇口处的正压也有助于降低开关损耗。 因为导通过程相当于栅极电容的充电过程，初始电压越大，充电速度越快，一般来说，导通损耗越小。 关断损耗受栅极负电压的影响，几乎不受栅极正电压的影响。 我们使用双脉冲平台来测试开关波形。 图4显示了SIC MOSFET在不同栅极电压和IC电流下的开关损耗。 图5显示了IGBT的导通损耗。 由于SiC MOSFET的绝对开关损耗远小于IGBT，因此SiC MOSFET在开关损耗降低比例方面的效果更为明显。
图4 SiC MOSFET的开关损耗
图5 IGBT的开关损耗
有损也有增益，虽然高栅极电压对导通和导通损耗都有好处，但它是以短路性能为代价的。 以下公式是MOSFET短路电流的合理公式，IGBT短路行为与MOSFET相似。 其中 n 是电子的迁移速率，Cox 是单位面积的栅极氧化物电容，W L 是氧化物纵横比，VGS 是驱动正电压，Vth 是栅极阈值电压。 从方程中可以看出，栅极正电压越高，电流越大。
例如，IGBT在栅极电压为15V时具有10 s的短路能力，但在栅极电压为16V时，短路能力降至7 s以下，如图6所示。 对于SiC MOSFET，相同电流的芯片面积要小得多，并且可以在更高的总线电压下工作，从而导致更大的短路瞬态能量，甚至在栅极电压超过15V时失去短路容差。
图6 IGBT短路能力与栅极电压的关系
结论。 对于IGBT和SiC MOSFET，使用的栅极正电压越高，导通和导通损耗越低，这有利于整体开关效率。 但是，它会影响器件的短路容限。 如果使用SiC MOSFET时不需要短路能力，建议适当增加栅极处的正电压。
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