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

发布时间:2026-10-20 13:02
作者:AMEYA360
来源:ROHM
阅读量:226

  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。

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  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。

20261020130359_9.png

  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

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  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)。

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  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)。

20261020130524_472.png

  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。

  AMEYA360优势料号

  SCT4018KRC15:

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

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  750V, 61A, 9引脚SMD,沟槽结构,碳化硅(SiC) MOSFET

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