SiC功率元件｜應用篇
橋式結構中的閘極-源極間電壓的行為：導通時
2023.02.08
在功率切換元件最常見的應用中，包括與上一篇文章中提到的雙脈衝測試電路相同的橋式結構。對於橋式結構情況下的閘-源電壓的行為，在Tech Web基礎知識SiC功率元件的“SiC MOSFET：橋式結構中閘極-源極間電壓的動作”和這篇文章所依據的應用指南“橋式結構中閘極-源極電壓的行為”中，介紹了相互影響的動作情況。
但是，具有驅動器源極引腳的TO-247-4L和TO-263-7L封裝SiC MOSFET，與不具有驅動器源極引腳的TO-247N封裝產品相比，閘-源電壓的行為不同，要想正確實施閘-源電壓的突波對策，需要瞭解電壓的行為。
從本文開始，將針對具有驅動器源極引腳的TO-247-4L封裝SiC MOSFET在橋式結構情況下的閘-源電壓的行為，分LS側（低側）MOSFET導通時和關斷時兩種情況用2個篇幅分別進行介紹。
橋式結構中的閘極-源極間電壓的行為：導通時
下面將圍繞與沒有驅動器源極引腳的TO-247N封裝MOSFET之間的不同點，對橋式結構中LS側（低側）的MOSFET導通時的動作進行說明。
下圖為導通時的各切換波形，左側為不帶驅動器源極引腳的TO-247N封裝產品，右側為帶驅動器源極引腳的TO-247-4L封裝產品。各橫軸表示時間，時間範圍Tk（k＝7、8、1-3）的定義在波形圖下方有述。右下方的電路圖中給出了TO-247-4L封裝產品在橋式電路中的閘極引腳電流情況。在波形圖和電路圖中，用（I）～（III）來表示每個時間範圍中發生的事件。事件（III）在T2期間結束後立即發生。
TO-247N封裝產品，沒有驅動器源極引腳
TO-247-4L封裝產品，有驅動器源極引腳
在橋式結構中LS側SiC MOSFET導通時的各切換波形
＜時間範圍Tk的定義＞
- T7：HS為導通期間（同步整流期間）
- T8：HS關斷、LS導通之前的死區時間
- T1：LS導通、MOSFET電流變化期間【事件（I）同時發生】
- T2：LS導通、MOSFET電壓變化期間【事件（II）同時發生】
- T3：LS導通期間
TO-247-4L：LS導通時的閘極引腳電流
在波形圖比較中，TO-247-4L的事件（I）與TO-247N的事件（I）明顯不同，在非切換側（HS）的VGS觀察到正突波（TO-247N為負突波）。這是由閘極引腳電流圖中（I）的電流ICGD引起的（HS側，綠線）。該電流會流過閘-汲電容CGD。
之所以會流過該電流，是因為在切換工作之前，換流電流ID_HS在HS側SiC MOSFET的本體二極體中從源極流向汲極，但是當之後的切換動作開始時，切換側（LS ）的電流ID_LS首先逐漸增加，因此ID_HS逐漸減少。另一方面，SiC MOSFET的本體二極體的正向電壓VF_HS（TO-247-4L波形圖的虛線圓圈部分）具有較大的電流依賴性，所以，隨著切換速度的增加，dID_HS/dt會增大，dVF_HS/dt也會增大。由於這個dVF_HS/dt最終也是換流側SiC MOSFET的dVDS_HS/dt，因此ICGD從汲極引腳透過CGD流向閘極引腳，導致閘-源電壓升高。在傳統的TO-247N封裝中，ID_LS的變化緩慢，可以認為事件（I）的ICGD幾乎未流動。
關於TO-247N導通動作的詳細介紹，請參考本文開頭提到的Tech Web SiC功率元件基礎知識中的文章“低側切換關斷時的Gate-Source間電壓的動作”或應用指南中的“導通時閘極訊號的動作”。
右側所示的VDS波形是TO-247N和TO-247-4L的比較圖。從圖中可以看出，關於換流側SiC MOSFET的VDS_HS，在切換動作開始後TO-247-4L的VDS_HS立即急遽上升。正如上一篇文章中所述，這是由於具有驅動器源極引腳而帶來的提速效果。
另外，由於事件（II）也已處於高速狀態，前面的電路圖中所示的從HS側流向LS側、向HS側CDS充電的電流也變得很大，所以不僅是切換側，有時候非切換側也需要針對汲極-源極間的突波採取對策。
TO-247-4和TO-247-4L導通時的VDS波形比較
下面是TO-247-4L的VGS波形。該波形圖對是否採取了突波對策的結果進行了比較。從圖中可以看出，在沒有採取突波對策（Non-Protected）的情況下，發生了前述的突波。而實施了突波對策（Protected）後，很好地抑制了VGS突波。
為了抑制這些突波，必須瞭解前述的閘-源電壓的行為，並在緊挨SiC MOSFET連接突波抑制電路作為對策。
如果希望瞭解更詳細的資訊，請參考應用指南中的“閘極-源極電壓的突波抑制方法”或Tech Web基礎知識SiC功率元件“SiC MOSFET：閘極-源極電壓的突波抑制方法”（連載中）。
TO-247-4L導通時的 VGS波形
（有無對策）
在下一篇文章中，我們將介紹低側SiC MOSFET關斷時SiC MOSFET閘-源電壓的行為。
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SiC功率元件
基礎篇
應用篇
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