SiC MOSFET的橋式結構及柵極驅動電路

SiC MOSFET的橋式結構

下面給出的電路圖是在橋式結構中使用SiC MOSFET時最簡單的同步式boost電路。該電路中使用的SiC MOSFET的高邊（HS）和低邊（LS）是交替導通的，為了防止HS和LS同時導通，設置了兩個SiC MOSFET均為OFF的死區(qū)時間。右下方的波形表示其門極信號（VG）時序。

該電路中HS和LS MOSFET的Drain-Source電壓（VDS）和漏極電流（ID）的波形示意圖如下。這是電感L的電流處于連續(xù)動作狀態(tài)，即所謂的硬開關狀態(tài)的波形。

橫軸表示時間，時間范圍Tk（k=1～8）的定義如下：

T1： LS為ON時、MOSFET電流變化的時間段

T2： LS為ON時、MOSFET電壓變化的時間段

T3： LS為ON時的時間段

T4： LS為OFF時、MOSFET電壓變化的時間段

T5： LS為OFF時、MOSFET電流變化的時間段

T4～T6： HS變?yōu)镺N之前的死區(qū)時間

T7： HS為ON的時間段（同步整流時間段）

T8： HS為OFF時、LS變?yōu)镺N之前的死區(qū)時間

SiC MOSFET橋式結構的柵極驅動電路

LS（低邊）側SiC MOSFET Turn-on和Turn-off時的VDS和ID的變化方式不同。在探討SiC MOSFET的這種變化對Gate-Source電壓（VGS）帶來的影響時,需要在包括SiC MOSFET的柵極驅動電路的寄生分量在內的等效電路基礎上進行考量。

右圖是最基本的柵極驅動電路和SiC MOSFET的等效電路。柵極驅動電路中包括柵極信號（VG）、SiC MOSFET內部的柵極線路內阻（RG_INT）、以及SiC MOSFET的封裝的源極電感量（LSOURCE）、柵極電路局部產生的電感量（LTRACE）和外加柵極電阻（RG_INT）。

關于各電壓和電流的極性，需要在等效電路圖中，以柵極電流（IG）和漏極電流（ID）所示的方向為正，以源極引腳為基準來定義VGS和VDS。

SiC MOSFET內部的柵極線路中也存在電感量，但由于它比LTRACE小，因此在此忽略不計。

導通(Turn-on)/關斷( Turn-off)動作

為了理解橋式電路的Turn-on / Turn-off動作，下面對上一篇文章中提到的橋式電路中各SiC MOSFET的電壓和電流波形進行詳細說明。下面的波形圖與上次的波形圖是相同的。我們和前面的等效電路圖結合起來進行說明。

當正的VG被施加給LS側柵極信號以使LS側ON時，Gate-Source間電容（CGS）開始充電，VGS上升，當達到SiC MOSFET的柵極閾值電壓（VGS(th)）以上時， LS的ID開始流動，同時從源極流向漏極方向的HS側ID開始減少。這個時間范圍就是前一篇文章中定義的T1（見波形圖最下方）。

接下來，當HS側的ID變?yōu)榱?、寄?a target="_blank">二極管 Turn-off時，與中間點的電壓（VSW）開始下降的同時，將對HS側的Drain-Source間電容（CDS）及Drain-Gate間電容（CGD）進行充電（波形圖T2）。對該HS側的CDS＋CGD充電（LS側放電）完成后，當LS側的VGS達到指定的電壓值，LS側的 Turn-on動作完成。

而Turn-off動作則在LS側VG OFF時開始，LS側的CGS蓄積的電荷開始放電，當達到SiC MOSFET的平臺電壓（進入米勒效應區(qū)）時，LS側的VDS開始上升，同時VSW上升。

在這個時間點，大部分負載電流仍在LS側流動（波形圖T4），HS側的寄生二極管還沒有轉流電流。LS側的CDS+CGD充電（HS側為放電）完成時，VSW超過輸入電壓（E），HS側的寄生二極管Turn-on，LS側的ID開始轉向HS側流動（波形圖T5）。

LS側的ID最終變?yōu)榱?，進入死區(qū)時間（波形圖T6），當正的VG被印加給HS側MOSFET的柵極信號時Turn-on，進入同步工作時間（波形圖T7）。

在這一系列的開關工作中，HS側和LS側MOSFET的VDS和ID變化導致的各種柵極電流流動，造成了與施加信號VG不同的VGS變化。

審核編輯：郭婷