AMEYA360代理丨ROHM SiC驱动技术篇：SiC-MOSFET的桥式结构栅源电压动作解析

　　从本文开始，我们将进入SiC功率元器件基础知识应用篇的第一弹“SiC MOSFET：桥式结构中栅极-源极间电压的动作”。

　　前言

　　MOSFET和IGBT等电源开关元器件被广泛应用于各种电源应用和电源线路中。另外，所使用的电路方式也多种多样，除单独使用外，还有串联连接、并联连接等多种使用方法。

　　其中，在将开关元件上下串联连接的桥式结构中，通常交替地导通与关断各个元器件。下面是常规的桥式结构同步方式boost电路，波形图是根据栅极信号交替地导通/关断的低边(LS)MOSFET和高边(HS)MOSFET的漏极-源极间电压(VDS)和漏极电流(ID)示例。

　　通过开关工作，流过各元件的电流和变化的电压以复杂的方式相互影响。尤其是在处理高电压高电流的电路中，受安装电路板和结线引起的寄生分量等影响，产生电压和电流的动作，并因此导致工作不稳定、效率下降，从而可能导致损耗增加、产生异常发热等问题。

　　近年来，SiC MOSFET等高性能功率元器件的应用，使得通过高速开关转换大功率成为可能，但在操作过程中，需要对开关工作有深入的了解。

　　在探讨“SiC MOSFET：桥式结构中Gate-Source电压的动作”时，本文先对SiC MOSFET的桥式结构和工作进行介绍，这也是这个主题的前提。

　　SiC MOSFET的桥式结构

　　下面给出的电路图是在桥式结构中使用SiC MOSFET时最简单的同步式boost电路。该电路中使用的SiC MOSFET的高边(HS)和低边(LS)是交替导通的，为了防止HS和LS同时导通，设置了两个SiC MOSFET均为OFF的死区时间。右下方的波形表示其门极信号(VG)时序。

　　该电路中HS和LS MOSFET的Drain-Source电压(VDS)和漏极电流(ID)的波形示意图如下。这是电感L的电流处于连续动作状态，即所谓的硬开关状态的波形。

　　横轴表示时间，时间范围Tk(k=1～8)的定义如下：

　　T1： LS为ON时、MOSFET电流变化的时间段

　　T2： LS为ON时、MOSFET电压变化的时间段

　　T3： LS为ON时的时间段

　　T4： LS为OFF时、MOSFET电压变化的时间段

　　T5： LS为OFF时、MOSFET电流变化的时间段

　　T4～T6： HS变为ON之前的死区时间

　　T7： HS为ON的时间段(同步整流时间段)

　　T8： HS为OFF时、LS变为ON之前的死区时间

　　本文将针对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。

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　　1200V, 18mΩ, 4引脚THD, 沟槽结构, SiC MOSFET

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