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2021.02.10 SiC功率元件

低側切換導通時的Gate-Source間電壓的動作

SiC MOSFET:橋式結構中Gate-Source電壓的動作

上一篇文章中,簡單介紹了SiC MOSFET橋式結構中閘極驅動電路的切換工作帶來的VDS和ID的變化所產生的電流和電壓情況。本文將詳細介紹SiC MOSFET在LS導通時的動作情況。

SiC MOSFET低側切換導通時的Gate-Source間電壓的動作

當SiC MOSFET的LS導通時,首先ID會變化(下述波形示意圖T1)。此時LS的ID沿增加方向、HS的ID沿減少方向流動,受下述等效電路圖中所示的事件(I)影響,在圖中所示的極性產生公式(1)的電動勢。公式(1)與上一篇文章中使用的公式相同。該電動勢引起的電流將源極側作為正極對CGS進行充電,因此在LS會將VGS向下推,在HS會將VGS向負極側拉,使之產生負突波(波形示意圖VGS的T1)。

當ID的變化結束時,LS的VDS的電位降低(波形示意圖T2)。所以,公式(2)中的電流就像等效電路圖中的(II)-1、(II)-2那樣流動,並且VGS會分別引發下列公式(3)、(4)中的電壓上升。

VDS剛剛開始變化後,公式(3)的VGS上升為主,隨著時間的推移,公式(4)的VGS也開始上升。也就是說,MOSFET的CGD/CGS比、驅動電路的RG_EXT、閘極驅動訊號佈局佈線的電感值LTRACE具有很大影響。

如等效電路圖所示,HS中的(II)-2的電流ICGD2處於VGS提升方向。因此,本來應該處於OFF狀態的HS因VGS的提升而開始了導通工作。這種現象稱為“誤啟動”。當HS發生誤啟動時,就會與LS的導通工作重疊,致使HS和LS的MOSFET同時導通,從而引發直通電流。

ICGD2會持續流動到LS的導通工作結束,並被積蓄在LTRACE中,但會在VSW變化結束的時間點消失,LTRACE產生電動勢。這就是事件(III)。受RG_EXT等切換條件影響,ICGD2可能會達到幾安培,並且該電動勢可能會增加。

受上述事件(I)、(II)、(III)的影響,LS導通後的Gate-Source電壓呈現出波形示意圖中所示的動作。波形示意圖和等效電路圖的相同編號表示同一事件。另外,圖中VGS的虛線波形表示理想的波形。

外接閘極電阻的影響

下面是SiC MOSFET橋式結構的LS導通時的雙脈衝測試結果。(a)波形圖的外接閘極電阻RG_EXT為0Ω,(b)為10Ω。圖中的(I)、(II)、(III)同前面相應編號的事件。

比較(a)和(b)的波形可以看出,RG_EXT越小,由事件(I)引起的VGS下降就越大。此外,由於切換速度非常快,因此事件(III)在(a)中很突出;但由於RG_EXT為0Ω,因此幾乎沒有觀察到事件(II)的波形。另一方面,在(b)中,事件(II)-2和RG_EXT引起的VGS升程明顯。

從該結果可以清楚地看出,要想降低誘發LS導通時HS誤啟動的事件(II)-2的VGS升程,就需要減小HS關斷時的外接閘極電阻RG_EXT。然而,多數情況下,HS和LS的RG_EXT是相同的,因此,當減小RG_EXT時,LS的dVDS/dt將增加,如公式(1)所示,HS的ICGD會增加。從公式(4)可以看出,結果會導致HS突波升高。

有一種對策方法是,使導通時和關斷時的RG_EXT分離,並且僅減小關斷時的RG_EXT。常規方法是使用二極體的方法,如右圖所示。使用這種方法,在導通狀態下工作的電阻只有RG_ON,而在關斷狀態下,二極體導通並成為RG_ON和RG_OFF的並聯電阻。因此,相對於導通時的電阻值,關斷時的電阻值變小。

另外,與最前面說明中使用的波形示意圖不同,HS的VGS波形之所以在緊靠事件(I)之前的位置向正極側振盪,是因為事件(I)的電流開始流動的瞬間LSOURCE引起的電動勢在透過CGS後立即被觀測到了。

下一篇文章將介紹LS關斷時的動作情況。

重點:

・在SiC MOSFET橋式結構中,受SiC MOSFET的閘極電容、以及切換帶來的VDS和ID變化影響,可能會在SiC MOSFET的LS切換導通時發生HS誤啟動。

・作為解決誤啟動問題的對策,可以採用減小外接閘極電阻值的方法,但是需要設法僅減小SiC MOSFET的HS關斷時的閘極電阻,以免影響其他動作。

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