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2021.05.26 SiC功率元件

什麼是閘極-源極電壓產生的突波?

SiC MOSFET:閘極-源極電壓的突波抑制方法

MOSFET和IGBT等功率半導體作為開關元件已被廣泛應用於各種電源應用和功率線路中。其中,SiC MOSFET在近年來的應用速度與日俱增,它的工作速度非常快,以至於切換時的電壓和電流的變化已經無法忽略SiC MOSFET本身的封裝電感和週邊電路的佈線電感的影響。特別是閘極-源極間電壓,當SiC MOSFET本身的電壓和電流發生變化時,可能會發生意想不到的正突波或負突波,需要對此採取對策。在本文中,我們將對相應的對策進行探討。關於閘極-源極間電壓產生的突波,在之前發佈的Tech Web基礎知識 SiC功率元件 應用篇的“SiC MOSFET:橋式結構中閘極-源極間電壓的動作”中已進行了詳細說明。

什麼是閘極-源極電壓產生的突波?

右側的電路圖是在橋式結構中使用SiC MOSFET時最簡單的同步升壓(Boost)電路。在該電路中,高側(以下稱“HS”)SiC MOSFET與低側(以下稱“LS”)SiC MOSFET的切換同步進行切換。當LS導通時,HS關斷,而當LS關斷時,HS導通,這樣交替導通和關斷。
由於這種切換工作,受切換側LS電壓和電流變化的影響,不僅在切換側的LS產生突波,還會在同步側的HS產生突波。

下面的波形圖表示該電路中LS導通時和關斷時的汲極-源極電壓(VDS)和汲極電流(ID)的波形,以及閘極-源極電壓(VGS)的動作。橫軸表示時間,時間範圍Tk(k=1~8)的定義如下:

 T1: LS導通、SiC MOSFET電流變化期間
 T2: LS導通、SiC MOSFET電壓變化期間
 T3: LS導通期間
 T4: LS關斷、SiC MOSFET電壓變化期間
 T5: LS關斷、SiC MOSFET電流變化期間
 T4~T6: HS導通之前的停滯時間(Dead Time)
 T7: HS導通期間(同步整流期間)
 T8: HS關斷、LS導通之前的停滯時間(Dead Time)

在閘極-源極電壓VGS中,發生箭頭所指的事件(I)~(IV)。每條虛線是沒有突波的原始波形。這些事件是由以下因素引起的:

 事件(I)、(VI) → 汲極電流的變化(dID/dt)
 事件(II)、(IV) →汲極-源極電壓的變化(dVDS/dt)
 事件(III)、(V) →汲極-源極電壓的變化結束

在這裡探討的“閘極-源極電壓產生的突波”就是指在這些事件中尤其影響工作的LS導通時HS發生的事件(II)以及 LS關斷時HS發生的事件(IV)。

關鍵要點:

・近年來SiC MOSFET被更頻繁地運用於電源和功率線路中的切換應用,SiC MOSFET工作速度非常快,快到已經無法忽略由於SiC MOSFET其自​​身封裝電感和週邊電路佈線電感所帶來的影響。

・特別是SiC MOSFET可能會在閘極-源極間電壓中產生意外的突波,因此需要對此採取相關對策。

理解SiC(碳化矽)功率元件和活用範例