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2020.10.21 SiC功率元件

SiC MOSFET的閘極驅動電路和Turn-on/Turn-off動作

SiC MOSFET:橋式結構中Gate-Source電壓的動作

本文將針對上一篇文章中介紹過的SiC MOSFET橋式結構的閘極驅動電路及其導通(Turn-on)/關斷( Turn-off)動作進行解說。

SiC MOSFET橋式結構的閘極驅動電路

LS(低側)側SiC MOSFET Turn-on和Turn-off時的VDS和ID的變化方式不同。在探討SiC MOSFET的這種變化對Gate-Source電壓(VGS)帶來的影響時,需要在包括SiC MOSFET的閘極驅動電路的寄生分量在內的等效電路基礎上進行考量。

右圖是最基本的閘極驅動電路和SiC MOSFET的等效電路。閘極驅動電路中包括閘極訊號(VG)、SiC MOSFET內部的閘極線路內阻(RG_INT)、以及SiC MOSFET的封裝的源極電感量(LSOURCE)、閘極電路佈局產生的電感量(LTRACE)和外加閘極電阻(RG_INT)。

關於各電壓和電流的極性,需要在等效電路圖中,以閘極電流(IG)和汲極電流(ID)所示的方向為正,以源極引腳為基準來定義VGS和VDS

SiC MOSFET內部的閘極佈局配線中也存在電感量,但由於它比LTRACE小,因此在此忽略不計。

導通(Turn-on)/關斷(Turn-off)動作

為了理解橋式電路的Turn-on / Turn-off動作,下面對上一篇文章中提到的橋式電路中各SiC MOSFET的電壓和電流波形進行詳細說明。下面的波形圖與上次的波形圖是相同的。我們和前面的等效電路圖結合起來進行說明。

當正的VG被外加給LS側閘極訊號以使LS側ON時,Gate-Source間電容(CGS)開始充電,VGS上升,當達到SiC MOSFET的閘極閾值電壓(VGS(th))以上時, LS的ID開始流動,同時從源極流向汲極方向的HS側ID開始減少。這個時間範圍就是前一篇文章中定義的T1(見波形圖最下方)。

接下來,當HS側的ID變為零、寄生二極體 Turn-off時,與中間點的電壓(VSW)開始下降的同時,將對HS側的Drain-Source間電容(CDS)及Drain-Gate間電容(CGD)進行充電(波形圖T2)。對該HS側的CDS+CGD充電(LS側放電)完成後,當LS側的VGS達到指定的電壓值,LS側的 Turn-on動作完成。

而Turn-off動作則在LS側VG OFF時開始,LS側的CGS蓄積的電荷開始放電,當達到SiC MOSFET的平台電壓(進入米勒效應區)時,LS側的VDS開始上升,同時VSW上升。

在這個時間點,大部分負載電流仍在LS側流動(波形圖T4),HS側的寄生二極體還沒有轉流電流。LS側的CDS+CGD充電(HS側為放電)完成時,VSW超過輸入電壓(E),HS側的寄生二極體Turn-on,LS側的ID開始轉向HS側流動(波形圖T5)。

LS側的ID最終變為零,進入Daed Time區間(波形圖T6),當正的VG被外加給HS側MOSFET的閘極訊號時Turn-on,進入同步工作區間(波形圖T7)。

在這一系列的切換工作中,HS側和LS側MOSFET的VDS和ID變化導致的各種閘極電流流動,造成了與外加訊號VG不同的VGS變化。具體內容將在下一篇文章進行詳細說明。

重點:

・SiC MOSFET Turn-on時和Turn-off時的VDS和ID的變化方式不同。

・在探討這種變化對VGS的影響時,需要在包括SiC MOSFET的閘極驅動電路的寄生分量在內的等效電路的基礎上進行考量。

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