SiCMOSFET栅极误导通的抑制策略
丑阿牛工作启示录','丑阿牛工作启示录 2024-01-24


“栅极误导通”是 指在 高 边SiC MOSFET+ 低 边SiC  MOSFET的构成中,SiC MOSFET切换(开关)时高边 SiC MOSFET的栅极电压产生振铃、低边SiC MOSFET 的栅极电压升高,使SiC MOSFET发生误动作的现象。通过下图可以很容易了解这是一种什么样的现象。

绿色波形表示高边SiC MOSFET的栅极电压VgsH,红色波形表示低边SiC MOSFET的栅极电压VgsL,蓝色波形表示Vds。这三个波形都存在振铃或振荡现象,都不容乐观。比如一旦在低边必须关断的时间点误导通的话,将有可能发生在高边和低边之间流过直通电流(Flow-through  Current)等问题。这种现象是SiC MOSFET的特性之一——非常快速的开关引起的。低边栅极电压升高是由切换到高边导通时产生的Vd振铃、和低边SiC MOSFET的栅极寄生电容引起的。

栅极误导通的抑制方法

抑制栅极误导通的方法有:

①是通过将Vgs降至负电压(而非0V)、使Vgs即使上升也不会达到阈值的增加余量的方法。这种方法需要负的栅极驱动电压,所以栅极驱动器的电源要使用+18V/-3V这样  的不对称的两个电源。在这种情况下,需要将负电压设置为不超过Vgs的最大额定值。

②是在栅极-源极间增加外置电容器,降低阻抗,抑制栅极电位升高的方法。这里需要注意的是CGS也会造成损耗,  因而需要适当的电容。

③是在栅极-源极间增加米勒钳位用MOSFET的方法。通  过在SiC MOSFET关断时使该MOSFET导通,强制使 Vgs接近0V,从而避免栅极电位升高。


下面主要对几种方法的效果进行说明。

1、抑制方法②的效果

下图是未添加比较用的外置CGS时的数据。低边的栅极电阻Rg越小Vgs升高越明显。

下图是添加了2.2nF外置CGS后的数据。如2.2nF的曲线所示,栅极电压的上升程度得到了抑制。

下图将CGS提高到5.6nF时的数据。可见虽然电容增加,但抑制效果却不明显。

从图中可以看出,结论是增加CGS可以有效抑制Vgs的上升程度,但并非单纯地提高电容器的电容其抑制效果就更好。如前所述,CGS也是造成损耗的因素,所以电容器需要选择适当的电容值。

2、抑制方法③的效果

下图左侧图中的实心圆点是添加上述CGS后的数据,中空圆点是米勒钳位的数据。从这个结果可以看出,米勒钳位MOSFET是非常有效的方法。右侧图是对浪涌电压的效果,从图中可以看出,采用②添加CGS和③米勒钳位的方法,具有几乎相同的效果。

在下图中给出了实际波形。绿色和蓝色是对策前的波形,红色和橙色是对策后的波形。条件如表格所示,作为对策,增加了米勒钳位MOSFET,将Rg从3.9Ω降至 2.2Ω,并增加了5.6nF的CGS。

Id和Vd在对策后振铃均变小。至于Vgs,可以看到在Vgs (L)时峰值高达5.9V,而对策后被抑制到1.1V。在Vgs (H)时峰值为7.7V的振铃在对策后降至3.5V,可见收敛速度很快。

综上所述,通过优化全SiC功率模块的栅极驱动,可实现更低损耗的运行。

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