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(shí)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(dòng)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(huì)使SiC MOSFET的開關(guān)性能對(duì)回路的寄生參數(shù)更加敏感,對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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??梢赃_(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(dòng)回路會(huì)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(huì)在橋臂中點(diǎn)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(dòng)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(shí)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(shí),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(dòng)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(dòng)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(dòng)電阻使得dv/dt過大會(huì)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(dòng)電阻。減小驅(qū)動(dòng)回路寄生電感需要優(yōu)化PCB Layout,盡可能減小驅(qū)動(dòng)元件到SiC MOSFET間的距離。
(2) 有源米勒鉗位電路如圖2所示,對(duì)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(diǎn)到MOSFET內(nèi)寄生電感,當(dāng)這部分壓降較大時(shí),有源鉗位的作用會(huì)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(shí)才能有不錯(cuò)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(gè)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(shí)下管誤開通,但同時(shí)使得上管關(guān)斷時(shí)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(shí)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(huì)一定層度上減緩開通速度,更嚴(yán)重的是對(duì)于并聯(lián)支路內(nèi)部寄生電感較大時(shí)有可能會(huì)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(shí)導(dǎo)致的門極電壓變化作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),即ΔVgs=ΔVds*CGD/(CGD+CGS), ΔVgs越小,意味著門極誤開通風(fēng)險(xiǎn)更小,抗干擾能力更強(qiáng)。
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