SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作

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2024-05-09 03:24:37 573

当SiC MOSFET的LS导通时，首先ID会发生变化（见波形示意图T1）。在这个过程中，LS的ID沿增加方向流动，而HS的ID沿减少方向流动，受到等效电路图中表示的事件(I)的影响，产生了公式（1）中所示的电动势。这个电动势会导致电流流向源极侧对CGS进行充电，在LS处将VGS向下推，在HS处将VGS向负极侧拉，产生负浪涌（VGS的波形示意图T1）。

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SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作电路图

当ID的变化结束时，LS的VDS的电位降低（波形示意图T2）。因此，公式（2）中的电流会像等效电路图中的(II)-1、(II)-2那样流动，并且VGS会分别引发公式（3）、（4）中的电压上升。

SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作计算2

VDS刚刚开始变化后，公式（3）中的VGS上升为主，随着时间的推移，公式（4）中的VGS也开始上升。换句话说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE对此具有很大影响。

如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。

ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。

受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。

外置栅极电阻的影响

下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。（a）波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，（b）为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。

SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试图

比较(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，由于开关速度非常快，因此事件(III)在(a)中很突出；但由于RG_EXT为0Ω，因此几乎没有观察到事件(II)的波形。另一方面，在(b)中，事件(II)-2和RG_EXT引起的VGS升程明显。

从该结果可以清楚地看出，要想降低诱发LS导通时HS误启动的事件(II)-2的VGS升程，就需要减小HS关断时的外置栅极电阻RG_EXT。然而，多数情况下，HS和LS的RG_EXT是相同的，因此，当减小RG_EXT时，LS的dVDS/dt将增加，如公式（1）所示，HS的ICGD会增加。从公式（4）可以看出，结果会导致HS浪涌升高。

有一种对策方法是，使导通时和关断时的RG_EXT分离，并且仅减小关断时的RG_EXT。常规方法是使用二极管的方法，如右图所示。使用这种方法，在导通状态下工作的电阻只有RG_ON，而在关断状态下，二极管导通并成为RG_ON和RG_OFF的并联电阻。因此，相对于导通时的电阻值，关断时的电阻值变小。

另外，与最前面说明中使用的波形示意图不同，HS的VGS波形之所以在紧靠事件(I)之前的位置向正极侧振荡，是因为事件(I)的电流开始流动的瞬间LSOURCE引起的电动势在通过CGS后立即被观测到了。

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