一文深入了解SiC MOSFET柵-源電壓的行為

本文的關鍵要點

具有驅(qū)動器源極引腳的TO-247-4L和TO-263-7L封裝SiC MOSFET，與不具有驅(qū)動器源極引腳的TO-247N封裝SiC MOSFET產(chǎn)品相比，SiC MOSFET柵-源電壓的行為不同。

要想正確實施SiC MOSFET柵-源電壓的浪涌對策，需要逐一了解SiC MOSFET電壓的行為。

在功率開關器件最常見的應用中，包括與上一篇文章中提到的雙脈沖測試電路相同的橋式結構。對于橋式結構情況下的柵-源電壓的行為，在Tech Web基礎知識SiC功率元器件的“SiC MOSFET：橋式結構中柵極-源極間電壓的動作”和這篇文章所依據(jù)的應用指南“橋式結構中柵極-源極電壓的行為”中，介紹了相互影響的動作情況。

但是，具有驅(qū)動器源極引腳的TO-247-4L和TO-263-7L封裝SiC MOSFET，與不具有驅(qū)動器源極引腳的TO-247N封裝產(chǎn)品相比，柵-源電壓的行為不同，要想正確實施柵-源電壓的浪涌對策，需要了解電壓的行為。

從本文開始，將針對具有驅(qū)動器源極引腳的TO-247-4L封裝SiC MOSFET在橋式結構情況下的柵-源電壓的行為，分LS側(低邊)MOSFET導通時和關斷時兩種情況用2個篇幅分別進行介紹。

橋式結構中的柵極-源極間電壓的行為：導通時

下面將圍繞與沒有驅(qū)動器源極引腳的TO-247N封裝MOSFET之間的不同點，對橋式結構中LS側(低邊)的MOSFET導通時的動作進行說明。

下圖為導通時的各開關波形，左側為不帶驅(qū)動器源極引腳的TO-247N封裝產(chǎn)品，右側為帶驅(qū)動器源極引腳的TO-247-4L封裝產(chǎn)品。各橫軸表示時間，時間范圍Tk(k=7、8、1-3)的定義在波形圖下方有述。右下方的電路圖中給出了TO-247-4L封裝產(chǎn)品在橋式電路中的柵極引腳電流情況。在波形圖和電路圖中，用(I)～(III)來表示每個時間范圍中發(fā)生的事件。事件(III)在T2期間結束后立即發(fā)生。

TO-247N封裝產(chǎn)品

沒有驅(qū)動器源極引腳

TO-247-4L封裝產(chǎn)品

有驅(qū)動器源極引腳

在橋式結構中LS側SiC MOSFET

導通時的各開關波形

<時間范圍Tk的定義>

TO-247-4L：LS導通時的柵極引腳電流

T7：HS為導通期間(同步整流期間)

T8：HS關斷、LS導通之前的死區(qū)時間

T1：LS導通、MOSFET電流變化期間【事件(I)同時發(fā)生】

T2：LS導通、MOSFET電壓變化期間【事件(II)同時發(fā)生】

T3：LS導通期間

在波形圖比較中，TO-247-4L的事件(I)與TO-247N的事件(I)明顯不同，在非開關側(HS)的VGS觀察到正浪涌(TO-247N為負浪涌)。這是由柵極引腳電流圖中(I)的電流ICGD引起的(HS側，綠線)。該電流會流過柵-漏電容CGD。

之所以會流過該電流，是因為在開關工作之前，換流電流ID_HS在HS側SiC MOSFET的體二極管中從源極流向漏極，但是當之后的開關動作開始時，開關側(LS )的電流ID_LS首先逐漸增加，因此ID_HS逐漸減少。另一方面，SiC MOSFET的體二極管的正向電壓VF_HS(TO-247-4L波形圖的虛線圓圈部分)具有較大的電流依賴性，所以，隨著開關速度的增加，dID_HS/dt會增大，dVF_HS/dt會增大，dVF_HS/dt最終也是換流側SiC MOSFET的dVDS_HS/dt，因此ICGD從漏極引腳通過CGD流向柵極引腳，導致柵-源電壓升高。在以往的TO-247N封裝中，ID_LS的變化緩慢，可以認為事件(I)的ICGD幾乎未流動。

關于TO-247N導通動作的詳細介紹，請參考本文開頭提到的Tech Web SiC功率元器件基礎知識中的文章“低邊開關關斷時的Gate-Source間電壓的動作”或應用指南中的“導通時柵極信號的動作”。

TO-247-4和TO-247-4L導通時的VDS波形比較

上方所示的VDS波形是TO-247N和TO-247-4L的比較圖。從圖中可以看出，關于換流側SiC MOSFET的VDS_HS，在開關動作開始后TO-247-4L的VDS_HS立即急劇上升。正如上一篇文章中所述，這是由于具有驅(qū)動器源極引腳而帶來的提速效果。

另外，由于事件(II)也已處于高速狀態(tài)，前面的電路圖中所示的從HS側流向LS側、向HS側CDS充電的電流也變得很大，所以不僅是開關側，有時候非開關側也需要針對漏極-源極間的浪涌采取對策。

下面是TO-247-4L的VGS波形。該波形圖對是否采取了浪涌對策的結果進行了比較。從圖中可以看出，在沒有采取浪涌對策(Non-Protected)的情況下，發(fā)生了前述的浪涌。而實施了浪涌對策(Protected)后，很好地抑制了VGS浪涌。

TO-247-4L導通時的 VGS波形(有無對策)

為了抑制這些浪涌，必須了解前述的柵-源電壓的行為，并在緊挨SiC MOSFET連接浪涌抑制電路作為對策。

如果希望了解更詳細的信息，請參考應用指南中的“柵極-源極電壓的浪涌抑制方法”或Tech Web基礎知識SiC功率元器件“SiC MOSFET：柵極-源極電壓的浪涌抑制方法”(連載中)。

在下一篇文章中，我們將介紹低邊SiC MOSFET關斷時SiC MOSFET柵-源電壓的行為。

原文標題：R課堂 | 橋式結構中的柵極-源極間電壓的行為：導通時

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