SiC MOSFET橋臂串?dāng)_問題 誤開通-KIA MOS管

相較于傳統(tǒng)的Si功率器件，SiC MOSFET具有更小的導(dǎo)通電阻，更快的開關(guān)速度，使得系統(tǒng)損耗大幅降低，效率提升，體積減小，從而實現(xiàn)變換器的高效高功率密度化，因此廣泛適用于5G數(shù)據(jù)中心通信電源，新能源汽車車載充電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動器，工業(yè)電源，直流充電樁，光伏，UPS等各類能源變換系統(tǒng)中。

然而這種快速的暫態(tài)過程會使SiC MOSFET的開關(guān)性能對回路的寄生參數(shù)更加敏感，對驅(qū)動設(shè)計要求更加嚴(yán)格。以分立的SiC MOSFET為例，根據(jù)電流不同其dv/dt通常可以達(dá)10~60V/ns。功率回路中高速變化的dv/dt通過寄生電容耦合到驅(qū)動回路會使得門極振蕩甚至誤開通，從而導(dǎo)致橋臂直通，器件損毀。

SiC MOSFET橋臂串?dāng)_問題

如圖1所示為SiC MOSFET的半橋應(yīng)用電路，上管QH開通過程會在橋臂中點產(chǎn)生高速變化的dv/dt，下管Vds電壓變化通過米勒電容CGD產(chǎn)生位移電流，從而在門極驅(qū)動電阻和寄生電感上產(chǎn)生正的電壓干擾，當(dāng)電壓干擾使得門極電壓超過器件的閾值電壓就可能導(dǎo)致原本關(guān)斷的下管誤開通。

為了分析方便，暫時忽略寄生電感的影響，由此可以得到上管開通過程中下管門極電壓為：

其中RG=Rg_ext+Rg_int ,Vee為關(guān)斷電壓，當(dāng)dvds/dt趨向無窮大時，門極電壓極限值為：

因此，抑制電壓串?dāng)_的方法有:

 (1) 減小門極驅(qū)動電阻RG 或者門極寄生電感Lg  

(2)有源米勒鉗位

 (3) 負(fù)壓關(guān)斷  

(4) 增加?xùn)旁措娙軨GS 或者減小米勒電容CGD

圖1 SiC MOSFET橋臂串?dāng)_問題

串?dāng)_抑制策略

(1) 減小門極驅(qū)動電阻通常受限于器件應(yīng)力水平和dv/dt速度，過小的驅(qū)動電阻使得dv/dt過大會加劇米勒電容引入的位移電流也可能導(dǎo)致門極電壓尖峰不減小反而增大，因此需要在滿足應(yīng)力的情況下合理選擇驅(qū)動電阻。減小驅(qū)動回路寄生電感需要優(yōu)化PCB Layout，盡可能減小驅(qū)動元件到SiC MOSFET間的距離。

(2) 有源米勒鉗位電路如圖2所示，對于關(guān)斷的器件如果門極產(chǎn)生正的電壓干擾超過設(shè)定閾值Vth(MC)，開關(guān)管SMC導(dǎo)通，為位移電流提供低阻抗放電回路，從而抑制開通串?dāng)_。

但是，鉗位回路依然包括器件內(nèi)部電阻和連接點到MOSFET內(nèi)寄生電感，當(dāng)這部分壓降較大時，有源鉗位的作用會減弱，有可能器件內(nèi)部仍然發(fā)生誤開通。因此只有在SiC器件內(nèi)部電阻較小時才能有不錯的抑制效果，采用有源鉗位可以起到很好的抑制串?dāng)_作用。

圖2 有源米勒鉗位

(3) 如圖3所示，給出了一直關(guān)斷的下管QL在上管QH開通關(guān)斷過程中的門極電壓波形，可知負(fù)壓關(guān)斷的作用相當(dāng)于把整個門極波形下移了Vee ，使得正的電壓尖峰遠(yuǎn)離器件閾值電壓，從而避免了上管開通時下管誤開通，但同時使得上管關(guān)斷時下管負(fù)壓尖峰增大。SiC MOSFET的允許負(fù)壓通常不超過-8V，因此需要合理選擇負(fù)壓關(guān)斷。

圖3 零壓與負(fù)壓關(guān)斷時下管門極波形

(4) 在GS兩端并聯(lián)電容來增大CGS ,可以很好的抑制電壓串?dāng)_作用，但是會一定層度上減緩開通速度，更嚴(yán)重的是對于并聯(lián)支路內(nèi)部寄生電感較大時有可能會增加門極寄生振蕩。因此最適合的方法是在器件層面增加?xùn)旁措娙軨GS 或者減小米勒電容CGD。

為了說明器件本身防止誤開通抗干擾能力，把dvds/dt趨向無窮大時導(dǎo)致的門極電壓變化作為綜合評價指標(biāo)，即ΔVgs=ΔVds*CGD/(CGD+CGS), ΔVgs越小，意味著門極誤開通風(fēng)險更小，抗干擾能力更強(qiáng)。

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