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2018.07.26 SiC功率元器件

运用要点:栅极驱动 其1

全SiC功率模块

从本文开始将探讨如何充分发挥全SiC功率模块的优异性能。此次作为栅极驱动的“其1”介绍栅极驱动的评估事项,在下次“其2”中介绍处理方法。

栅极驱动的评估事项:栅极误导通

首先需要了解的是:接下来要介绍的不是全SiC功率模块特有的评估事项,而是单个SiC-MOSFET的构成中也同样需要探讨的现象。在分立结构的设计中,该信息也非常有用。

“栅极误导通”是指在高边SiC-MOSFET+低边SiC-MOSFET的构成中,SiC-MOSFET切换(开关)时高边SiC-MOSFET的栅极电压产生振铃,低边SiC-MOSFET的栅极电压升高,SiC-MOSFET误动作的现象。通过下面的波形图可以很容易了解这是什么样的现象。

绿色曲线表示高边SiC-MOSFET的栅极电压VgsH,红色曲线表示低边的栅极电压VgsL,蓝色曲线表示Vds。这三个波形都存在振铃或振荡现象,都不容乐观。比如一旦在低边必须关断的时间点误导通的话,将有可能发生在高边-低边间流过直通电流(Flow-through Current)等问题。

这种现象是SiC-MOSFET的特性之一–非常快速的开关引起的。低边栅极电压升高是由切换到高边导通时产生的Vd振铃、和低边SiC-MOSFET的寄生栅极寄生电容引起的。

全SiC功率模块的开关速度与寄生电容

下面通过与现有IGBT功率模块进行比较来了解与栅极电压的振铃和升高有关的全SiC功率模块的开关速度和寄生电容的特征。

开关速度:与IGBT的比较

下图是开关导通时和开关关断时的dV/dt、即开关速度与IGBT模块的比较。SiC模块的开关导通时的dV/dt与IGBT模块几乎相同,依赖于外置的栅极电阻Rg。关断时SiC模块没有像IGBT那样的尾电流,因此显示与导通时同样依赖于外置栅极电阻Rg的dV/dt。

寄生电容:与IGBT的比较

MOSFET(IGBT)存在栅极-漏极(集电极)间的Cgd(Cgc)、栅极-源极(发射极)间的Cgs(Cge)、漏极(集电极)-源极(发射极)间的Cds(Cce)这些寄生电容。其中与低边栅极电压升高相关的是Cgd和Cgs。

下面的左图表示Cgd(Cgc)、Cgs(Cge)与Vds(Vce)之间的关系。未指定是SiC模块的曲线是IGBT的曲线。如各曲线所示,相应寄生电容同等,其特性也相似。右图为Cgd(Cgc)和Cgs(Cge)的比,被称为“栅极寄生电容比”,是对低边栅极电压升高有影响的参数。这里给出了同等程度的寄生电容,以便根据左图的电容值直观地考量。

栅极电压升高的机制

前面也提到过,低边SiC-MOSFET的栅极电压升高是由高边SiC-MOSFET开关导通时的dV/dt速度太快引起的,因低边SiC-MOSFET的栅极寄生电容与栅极阻抗而产生栅极电压升高⊿Vgs。

SiC-MOSFET的开关导通速度依赖于外置栅极电阻Rg,如上图所示,Rg越小则dV/dt越大。

关于栅极寄生电容,它是本质上存在且无法调整的,因此在存在一定量的栅极寄生电容的前提下,将低边栅极阻抗作为⊿Vgs的因数,来探讨可调整的外置栅极电阻Rg。

该图表示低边栅极电压升高⊿Vgs和高边外置栅极电阻Rg_H及低边外置栅极电阻Rg_L之间的关系。从图中可以看出,高边的Rg_H越小,即dV/dt速度越快,以及低边的外置栅极电阻越大,⊿Vgs越大。

下次将根据以上这些考察来探讨对栅极电压升高的处理方法。

关键要点:

・“栅极误导通”是全SiC功率模块的栅极驱动需要评估的事项之一。

・栅极误导通是由高边开关导通时的dV/dt速度快、及低边栅极寄生电容和栅极阻抗引起的。

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