SiC MOSFET低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的Gate-Source間電壓的動(dòng)作

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2024-05-09 03:24:37 568

當(dāng)SiC MOSFET的LS導(dǎo)通時(shí)，首先ID會(huì)發(fā)生變化（見波形示意圖T1）。在這個(gè)過(guò)程中，LS的ID沿增加方向流動(dòng)，而HS的ID沿減少方向流動(dòng)，受到等效電路圖中表示的事件(I)的影響，產(chǎn)生了公式（1）中所示的電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致電流流向源極側(cè)對(duì)CGS進(jìn)行充電，在LS處將VGS向下推，在HS處將VGS向負(fù)極側(cè)拉，產(chǎn)生負(fù)浪涌（VGS的波形示意圖T1）。

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SiC MOSFET低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的Gate-Source間電壓的動(dòng)作電路圖

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

SiC MOSFET低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的Gate-Source間電壓的動(dòng)作計(jì)算2

VDS剛剛開始變化后，公式（3）中的VGS上升為主，隨著時(shí)間的推移，公式（4）中的VGS也開始上升。換句話說(shuō)，MOSFET的CGD/CGS比、驅(qū)動(dòng)電路的RG_EXT、柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖形布線的電感值LTRACE對(duì)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(lái)應(yīng)該處于OFF狀態(tài)的HS因VGS的提升而開始了導(dǎo)通工作。這種現(xiàn)象稱為“誤啟動(dòng)”。當(dāng)HS發(fā)生誤啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)與LS的導(dǎo)通工作重疊，致使HS和LS的MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，從而引發(fā)直通電流。

ICGD2會(huì)持續(xù)流動(dòng)到LS的導(dǎo)通工作結(jié)束，并被積蓄在LTRACE中，但會(huì)在VSW變化結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)消失，LTRACE產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這就是事件(III)。受RG_EXT等開關(guān)條件影響，ICGD2可能會(huì)達(dá)到幾安培，并且該電動(dòng)勢(shì)可能會(huì)增加。

受上述事件(I)、(II)、(III)的影響，LS導(dǎo)通后的Gate-Source電壓呈現(xiàn)出波形示意圖中所示的動(dòng)作。波形示意圖和等效電路圖的相同編號(hào)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(jié)構(gòu)的LS導(dǎo)通時(shí)的雙脈沖測(cè)試結(jié)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(yīng)編號(hào)的事件。

SiC MOSFET橋式結(jié)構(gòu)的LS導(dǎo)通時(shí)的雙脈沖測(cè)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(guān)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(jié)果可以清楚地看出，要想降低誘發(fā)LS導(dǎo)通時(shí)HS誤啟動(dòng)的事件(II)-2的VGS升程，就需要減小HS關(guān)斷時(shí)的外置柵極電阻RG_EXT。然而，多數(shù)情況下，HS和LS的RG_EXT是相同的，因此，當(dāng)減小RG_EXT時(shí)，LS的dVDS/dt將增加，如公式（1）所示，HS的ICGD會(huì)增加。從公式（4）可以看出，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致HS浪涌升高。

有一種對(duì)策方法是，使導(dǎo)通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的RG_EXT分離，并且僅減小關(guān)斷時(shí)的RG_EXT。常規(guī)方法是使用二極管的方法，如右圖所示。使用這種方法，在導(dǎo)通狀態(tài)下工作的電阻只有RG_ON，而在關(guān)斷狀態(tài)下，二極管導(dǎo)通并成為RG_ON和RG_OFF的并聯(lián)電阻。因此，相對(duì)于導(dǎo)通時(shí)的電阻值，關(guān)斷時(shí)的電阻值變小。

另外，與最前面說(shuō)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(cè)振蕩，是因?yàn)槭录?I)的電流開始流動(dòng)的瞬間LSOURCE引起的電動(dòng)勢(shì)在通過(guò)CGS后立即被觀測(cè)到了。

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