SiC MOSFET低邊開關導通時的Gate-Source間電壓的動作

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2024-05-09 03:24:37 558

當SiC MOSFET的LS導通時，首先ID會發生變化（見波形示意圖T1）。在這個過程中，LS的ID沿增加方向流動，而HS的ID沿減少方向流動，受到等效電路圖中表示的事件(I)的影響，產生了公式（1）中所示的電動勢。這個電動勢會導致電流流向源極側對CGS進行充電，在LS處將VGS向下推，在HS處將VGS向負極側拉，產生負浪涌（VGS的波形示意圖T1）。

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SiC MOSFET低邊開關導通時的Gate-Source間電壓的動作電路圖

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

SiC MOSFET低邊開關導通時的Gate-Source間電壓的動作計算2

VDS剛剛開始變化后，公式（3）中的VGS上升為主，隨著時間的推移，公式（4）中的VGS也開始上升。換句話說，MOSFET的CGD/CGS比、驅動電路的RG_EXT、柵極驅動信號圖形布線的電感值LTRACE對此具有很大影響。

如等效電路圖所示，HS中的(II)-2的電流ICGD2處于VGS提升方向。因此，本來應該處于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，并被積蓄在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等開關條件影響，ICGD2可能會達到幾安培，并且該電動勢可能會增加。

受上述事件(I)、(II)、(III)的影響，LS導通后的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。

外置柵極電阻的影響

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

SiC MOSFET橋式結構的LS導通時的雙脈沖測試圖

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，由于開關速度非常快，因此事件(III)在(a)中很突出；但由于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關斷時的外置柵極電阻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浪涌升高。

有一種對策方法是，使導通時和關斷時的RG_EXT分離，并且僅減小關斷時的RG_EXT。常規方法是使用二極管的方法，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，二極管導通并成為RG_ON和RG_OFF的并聯電阻。因此，相對于導通時的電阻值，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蕩，是因為事件(I)的電流開始流動的瞬間LSOURCE引起的電動勢在通過CGS后立即被觀測到了。

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