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2020.07.22 SiC功率元器件

SiC MOSFET的栅极驱动电路和Turn-on/Turn-off动作

SiC MOSFET:桥式结构中栅极-源极间电压的动作

本文将针对上一篇文章中介绍过的SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路及其导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行解说。

SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路

LS(低边)侧SiC MOSFET Turn-on和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。在探讨SiC MOSFET的这种变化对Gate-Source电压(VGS)带来的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路基础上进行考量。

右图是最基本的栅极驱动电路和SiC MOSFET的等效电路。栅极驱动电路中包括栅极信号(VG)、SiC MOSFET内部的栅极线路内阻(RG_INT)、以及SiC MOSFET的封装的源极电感量(LSOURCE)、栅极电路局部产生的电感量(LTRACE)和外加栅极电阻(RG_INT)。

关于各电压和电流的极性,需要在等效电路图中,以栅极电流(IG)和漏极电流(ID)所示的方向为正,以源极引脚为基准来定义VGS和VDS

SiC MOSFET内部的栅极线路中也存在电感量,但由于它比LTRACE小,因此在此忽略不计。

导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作

为了理解桥式电路的Turn-on / Turn-off动作,下面对上一篇文章中提到的桥式电路中各SiC MOSFET的电压和电流波形进行详细说明。下面的波形图与上次的波形图是相同的。我们和前面的等效电路图结合起来进行说明。

当正的VG被施加给LS侧栅极信号以使LS侧ON时,Gate-Source间电容(CGS)开始充电,VGS上升,当达到SiC MOSFET的栅极阈值电压(VGS(th))以上时, LS的ID开始流动,同时从源极流向漏极方向的HS侧ID开始减少。这个时间范围就是前一篇文章中定义的T1(见波形图最下方)。

接下来,当HS侧的ID变为零、寄生二极管 Turn-off时,与中间点的电压(VSW)开始下降的同时,将对HS侧的Drain-Source间电容(CDS)及Drain-Gate间电容(CGD)进行充电(波形图T2)。对该HS侧的CDS+CGD充电(LS侧放电)完成后,当LS侧的VGS达到指定的电压值,LS侧的 Turn-on动作完成。

而Turn-off动作则在LS侧VG OFF时开始,LS侧的CGS蓄积的电荷开始放电,当达到SiC MOSFET的平台电压(进入米勒效应区)时,LS侧的VDS开始上升,同时VSW上升。

在这个时间点,大部分负载电流仍在LS侧流动(波形图T4),HS侧的寄生二极管还没有转流电流。LS侧的CDS+CGD充电(HS侧为放电)完成时,VSW超过输入电压(E),HS侧的寄生二极管Turn-on,LS侧的ID开始转向HS侧流动(波形图T5)。

LS侧的ID最终变为零,进入死区时间(波形图T6),当正的VG被印加给HS侧MOSFET的栅极信号时Turn-on,进入同步工作时间(波形图T7)。

在这一系列的开关工作中,HS侧和LS侧MOSFET的VDS和ID变化导致的各种栅极电流流动,造成了与施加信号VG不同的VGS变化。具体内容将在下一篇文章进行详细说明。

关键要点:

・SiC MOSFET Turn-on时和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。

・在探讨这种变化对VGS的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路的基础上进行考量。

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