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,電機驅(qū)動器,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)過程會使SiC MOSFET的開關(guān)性能對回路的寄生參數(shù)更加敏感,對驅(qū)動設(shè)計要求更加嚴格。以分立的SiC MOSFET為例,根據(jù)電流不同其dv/dt通??梢赃_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)動回路會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橋臂串擾問題
如圖1所示為SiC MOSFET的半橋應(yīng)用電路,上管QH開通過程會在橋臂中點產(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)動電阻和寄生電感上產(chǎn)生正的電壓干擾,當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dvds/dt趨向無窮大時,門極電壓極限值為:
因此,抑制電壓串擾的方法有:
(1) 減小門極驅(qū)動電阻RG 或者門極寄生電感Lg
(2)有源米勒鉗位
(3) 負壓關(guān)斷
(4) 增加柵源電容CGS 或者減小米勒電容CGD
圖1 SiC MOSFET橋臂串擾問題
串擾抑制策略
(1) 減小門極驅(qū)動電阻通常受限于器件應(yīng)力水平和dv/dt速度,過小的驅(qū)動電阻使得dv/dt過大會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)動電阻。減小驅(qū)動回路寄生電感需要優(yōu)化PCB Layout,盡可能減小驅(qū)動元件到SiC MOSFET間的距離。
(2) 有源米勒鉗位電路如圖2所示,對于關(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,從而抑制開通串擾。
但是,鉗位回路依然包括器件內(nèi)部電阻和連接點到MOSFET內(nèi)寄生電感,當這部分壓降較大時,有源鉗位的作用會減弱,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)部電阻較小時才能有不錯的抑制效果,采用有源鉗位可以起到很好的抑制串擾作用。
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,可知負壓關(guān)斷的作用相當于把整個門極波形下移了Vee ,使得正的電壓尖峰遠離器件閾值電壓,從而避免了上管開通時下管誤開通,但同時使得上管關(guān)斷時下管負壓尖峰增大。SiC MOSFET的允許負壓通常不超過-8V,因此需要合理選擇負壓關(guān)斷。
圖3 零壓與負壓關(guān)斷時下管門極波形
(4) 在GS兩端并聯(lián)電容來增大CGS ,可以很好的抑制電壓串擾作用,但是會一定層度上減緩開通速度,更嚴重的是對于并聯(lián)支路內(nèi)部寄生電感較大時有可能會增加門極寄生振蕩。因此最適合的方法是在器件層面增加柵源電容CGS 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趨向無窮大時導(dǎo)致的門極電壓變化作為綜合評價指標,即ΔVgs=ΔVds*CGD/(CGD+CGS), ΔVgs越小,意味著門極誤開通風險更小,抗干擾能力更強。
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