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2018.12.20 SiC功率元件

運用要點:閘極驅動 其1

全SiC功率模組

從本文開始將探討如何充分發揮全SiC功率模組的優異性能。此次作為閘極驅動的“其1”介紹閘極驅動的評估事項,在下次“其2”中介紹處理方法。

閘極驅動的評估事項:閘極誤導通

首先需要瞭解的是:接下來要介紹的不是全SiC功率模組特有的評估事項,而是單個SiC-MOSFET的構成中也同樣需要探討的現象。在離散式結構的設計中,該資訊也非常有用。

“閘極誤導通”是指High side SiC-MOSFET+Low Side SiC-MOSFET的構成中,SiC-MOSFET轉換(Switching)時High Side SiC-MOSFET的閘極電壓產生振鈴,Low Side SiC-MOSFET的閘極電壓升高,SiC-MOSFET誤動作的現象。通過下面的波形圖可以很容易瞭解這是什麼樣的現象。

綠色曲線表示High Side SiC-MOSFET的閘極電壓VgsH,紅色曲線表示Low Side的閘極電壓VgsL,藍色曲線表示Vds。這三個波形都存在振鈴或振盪現象,都不容樂觀。比如一旦在Low Side必須OFF的時間點誤導通的話,將有可能發生在High/Low Side間流過貫通電流(Flow-through Current)等問題。

這種現象是SiC-MOSFET的特性之一–非常快速的開關引起的。Low Side閘極電壓升高是由於High Side ON轉換產生的Vd振鈴、和Low Side SiC-MOSFET的寄生閘極寄生電容引起的。

全SiC功率模組的開關速度與寄生電容

下面通過與現有IGBT功率模組進行比較來瞭解與閘極電壓的振鈴和升高有關的全SiC功率模組的開關速度和寄生電容的特徵。

開關速度:與IGBT的比較

下圖是開關ON時和開關OFF時的dV/dt、即開關速度與IGBT模組的比較。SiC模組的開關導通時的dV/dt與IGBT模組幾乎相同,與外接的閘極電阻Rg有相關。OFF時SiC模組沒有像IGBT那樣有尾電流,導通時同樣的dV/dt與外接閘極電阻Rg有相關。

寄生電容:與IGBT的比較

MOSFET(IGBT)存在閘極-汲極(集極)間的Cgd(Cgc)、閘極-源極(射極)間的Cgs(Cge)、汲極(集極)-源極(射極)間的Cds(Cce)這些寄生電容。其中與LowSide閘極電壓升高相關的是Cgd和Cgs。

下面的左圖表示Cgd(Cgc)、Cgs(Cge)與Vds(Vce)之間的關係。未指定是SiC模組的曲線是IGBT的曲線。如各曲線所示,相應寄生電容同等,其特性也相似。右圖為Cgd(Cgc)和Cgs(Cge)的比,被稱為“閘極寄生電容比”,是對Low Side閘極電壓升高有影響的參數。這裡以相同程度的寄生電容做表示,以便根據左圖的直接電容值進行估算。

閘極電壓升高的機制

前面也提到過,Low Side SiC-MOSFET的閘極電壓升高是由High Side SiC-MOSFET開關導通時的dV/dt速度太快引起的,因Low Side SiC-MOSFET的閘極寄生電容與閘極阻抗(Impedance)而產生閘極電壓升高⊿Vgs。

SiC-MOSFET的開關導通速度與外接閘極電阻Rg相關,如上圖所示,Rg越小則dV/dt越大。

關於閘極寄生電容,它是本質上存在且無法調整的,因此在存在一定量的閘極寄生電容的前提下,將Low Side閘極阻抗(Impedance)作為⊿Vgs的因數,來探討可調整的外接閘極電阻Rg。

該圖表示Low Side閘極電壓升高⊿Vgs和High Side外接閘極電阻Rg_H及Low Side外接閘極電阻Rg_L之間的關係。從圖中可以看出,High Side的Rg_H越小,即dV/dt速度越快,以及Low Side的外接閘極電阻越大,⊿Vgs越大。

下次將根據以上這些考察來探討對閘極電壓升高的處理方法。

重點:

・“閘極誤導通”是全SiC功率模組的閘極驅動需要評估的事項之一。

・閘極誤導通是由於High Side開關導通時的dV/dt速度快、及Low Side閘極寄生電容和閘極阻抗(Impedence)引起的。

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