桥式结构中的栅极-源极间电压的行为:导通时

本文的关键要点

・具有驱动器源极引脚的TO-247-4L和TO-263-7L封装SiC MOSFET,与不具有驱动器源极引脚的TO-247N封装SiC MOSFET产品相比,SiC MOSFET栅-源电压的行为不同。

・要想正确实施SiC MOSFET栅-源电压的浪涌对策,需要逐一了解SiC MOSFET电压的行为。

在功率开关器件最常见的应用中,包括与上一篇文章中提到的双脉冲测试电路相同的桥式结构。对于桥式结构情况下的栅-源电压的行为,在Tech Web基础知识SiC功率元器件的“SiC MOSFET:桥式结构中栅极-源极间电压的动作”和这篇文章所依据的应用指南“桥式结构中栅极-源极电压的行为”中,介绍了相互影响的动作情况。

但是,具有驱动器源极引脚的TO-247-4L和TO-263-7L封装SiC MOSFET,与不具有驱动器源极引脚的TO-247N封装产品相比,栅-源电压的行为不同,要想正确实施栅-源电压的浪涌对策,需要了解电压的行为。

从本文开始,将针对具有驱动器源极引脚的TO-247-4L封装SiC MOSFET在桥式结构情况下的栅-源电压的行为,分LS侧(低边)MOSFET导通时和关断时两种情况用2个篇幅分别进行介绍。

桥式结构中的栅极-源极间电压的行为:导通时

下面将围绕与没有驱动器源极引脚的TO-247N封装MOSFET之间的不同点,对桥式结构中LS侧(低边)的MOSFET导通时的动作进行说明。

下图为导通时的各开关波形,左侧为不带驱动器源极引脚的TO-247N封装产品,右侧为带驱动器源极引脚的TO-247-4L封装产品。各横轴表示时间,时间范围Tk(k=7、8、1-3)的定义在波形图下方有述。右下方的电路图中给出了TO-247-4L封装产品在桥式电路中的栅极引脚电流情况。在波形图和电路图中,用(I)~(III)来表示每个时间范围中发生的事件。事件(III)在T2期间结束后立即发生。

ブリッジ構成におけるLSのSiC MOSFETターンオン時の各スイッチング波形:ドライバソース端子を持たないTO-247Nパッケージ品

TO-247N封装产品,没有驱动器源极引脚

ブリッジ構成におけるLSのSiC MOSFETターンオン時の各スイッチング波形:ドライバソース端子を持つTO-247-4Lパッケージ品

TO-247-4L封装产品,有驱动器源极引脚

在桥式结构中LS侧SiC MOSFET导通时的各开关波形

<时间范围Tk的定义>

  • T7:HS为导通期间(同步整流期间)
  • T8:HS关断、LS导通之前的死区时间
  • T1:LS导通、MOSFET电流变化期间【事件(I)同时发生】
  • T2:LS导通、MOSFET电压变化期间【事件(II)同时发生】
  • T3:LS导通期间

TO-247-4L:リッジ構成におけるLSターンオン時のゲート端子の電流

TO-247-4L:LS导通时的栅极引脚电流

在波形图比较中,TO-247-4L的事件(I)与TO-247N的事件(I)明显不同,在非开关侧(HS)的VGS观察到正浪涌(TO-247N为负浪涌)。这是由栅极引脚电流图中(I)的电流ICGD引起的(HS侧,绿线)。该电流会流过栅-漏电容CGD

之所以会流过该电流,是因为在开关工作之前,换流电流ID_HS在HS侧SiC MOSFET的体二极管中从源极流向漏极,但是当之后的开关动作开始时,开关侧(LS )的电流ID_LS首先逐渐增加,因此ID_HS逐渐减少。另一方面,SiC MOSFET的体二极管的正向电压VF_HS(TO-247-4L波形图的虚线圆圈部分)具有较大的电流依赖性,所以,随着开关速度的增加,dID_HS/dt会增大,dVF_HS/dt会增大,dVF_HS/dt最终也是换流侧SiC MOSFET的dVDS_HS/dt,因此ICGD从漏极引脚通过CGD流向栅极引脚,导致栅-源电压升高。在以往的TO-247N封装中,ID_LS的变化缓慢,可以认为事件(I)的ICGD几乎未流动。

关于TO-247N导通动作的详细介绍,请参考本文开头提到的Tech Web SiC功率元器件基础知识中的文章“低边开关关断时的Gate-Source间电压的动作”或应用指南中的“导通时栅极信号的动作”。

右侧所示的VDS波形是TO-247N和TO-247-4L的比较图。从图中可以看出,关于换流侧SiC MOSFET的VDS_HS,在开关动作开始后TO-247-4L的VDS_HS立即急剧上升。正如上一篇文章中所述,这是由于具有驱动器源极引脚而带来的提速效果。

另外,由于事件(II)也已处于高速状态,前面的电路图中所示的从HS侧流向LS侧、向HS侧CDS充电的电流也变得很大,所以不仅是开关侧,有时候非开关侧也需要针对漏极-源极间的浪涌采取对策。

TO-247-4とTO-247-4Lのターンオン時のVDS波形比較
TO-247-4和TO-247-4L导通时的VDS波形比较

下面是TO-247-4L的VGS波形。该波形图对是否采取了浪涌对策的结果进行了比较。从图中可以看出,在没有采取浪涌对策(Non-Protected)的情况下,发生了前述的浪涌。而实施了浪涌对策(Protected)后,很好地抑制了VGS浪涌。

为了抑制这些浪涌,必须了解前述的栅-源电压的行为,并在紧挨SiC MOSFET连接浪涌抑制电路作为对策。

如果希望了解更详细的信息,请参考应用指南中的“栅极-源极电压的浪涌抑制方法”或Tech Web基础知识SiC功率元器件“SiC MOSFET:栅极-源极电压的浪涌抑制方法”(连载中)。

TO-247-4Lのターンオン時のVGS波形(対策有無)
TO-247-4L导通时的 VGS波形
(有无对策)

在下一篇文章中,我们将介绍低边SiC MOSFET关断时SiC MOSFET栅-源电压的行为。

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