用于改善SiC MOSFET導(dǎo)通瞬態(tài)的電荷泵柵極驅(qū)動(dòng)

用于高功率和高頻應(yīng)用的最有前途的器件之一是 SiC MOSFET。2,3?它支持更高的結(jié)溫，其特點(diǎn)包括低導(dǎo)通電阻和更高的開(kāi)關(guān)。SiC MOSFET 允許構(gòu)建具有更高功率密度和更高效率的轉(zhuǎn)換器。然而，SiC MOSFET 的廣泛采用受到其開(kāi)關(guān)損耗的限制。大部分損耗發(fā)生在開(kāi)啟階段，如器件數(shù)據(jù)表和報(bào)告測(cè)試結(jié)果所示。

SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)性能由柵極驅(qū)動(dòng)控制。電壓源柵極驅(qū)動(dòng) (VSG) 是 MOSFET 中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗杀镜颓医Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。9-13?隨著柵極電流的降低，可以看到柵極電壓上升。當(dāng)米勒平臺(tái)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，這種上升變得恒定；當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓處于恒定速率時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。1?整個(gè)過(guò)程如圖 1所示?。為了提高功率器件的開(kāi)關(guān)速度，需要在發(fā)生開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)提高柵極電流14–17，為此，設(shè)計(jì)了電流源柵極。原始文章可以在這里找到?。?

圖 1：開(kāi)啟瞬態(tài)期間的柵極電流

電荷泵柵極驅(qū)動(dòng) (CPG)

有限的柵極電流是提高 SiC MOSFET 開(kāi)啟開(kāi)關(guān)速度的原因。為了找到解決方案，需要進(jìn)一步研究在典型 VSG 的導(dǎo)通瞬態(tài)過(guò)程之間影響柵極電流的因素。SiC MOSFET 的柵極電壓額定值為 20 V。1?柵極驅(qū)動(dòng)器可滿足開(kāi)關(guān)過(guò)程中的兩個(gè)主要要求：首先，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)提供足夠量的柵極電流，以減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)時(shí)間。開(kāi)關(guān)瞬態(tài)階段。其次，柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能夠在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)期間保持柵極電壓處于受控狀態(tài)。?

柵極電壓應(yīng)保持在 MOSFET 的額定值以下。1?由于第二個(gè)條件，已經(jīng)注意到不能增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器電源電壓。?圖 2?描繪了柵極驅(qū)動(dòng)器的理想電源電壓。為了增加電壓量，需要更多的變壓器和電源，這最終會(huì)增加與柵極驅(qū)動(dòng)相關(guān)的成本和復(fù)雜性。18?電壓偏移需要精確的控制信號(hào)來(lái)避免柵極過(guò)壓，這不僅增加了電路的復(fù)雜性，而且不能自適應(yīng)地適應(yīng)不同的負(fù)載和總線電壓條件，其中開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)間會(huì)發(fā)生變化。1

圖 2：具有理想電壓電源的柵極驅(qū)動(dòng)?

CPG的工作原理

典型的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)周期有五種模式。?圖 3?顯示了在此過(guò)程中形成的波形。當(dāng)導(dǎo)通瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)，操作如下：?

子區(qū)間 1 (t0–t1)?

子區(qū)間 2 (t1–t2)?

子區(qū)間 3 (t2–t3)?

子區(qū)間 4 (t3–t4)?

子區(qū)間 5 (t4–t5) 1??

典型的 VSG 和建議的 CPG 具有類(lèi)似的關(guān)斷過(guò)程，因?yàn)閷?dǎo)通損耗遠(yuǎn)大于關(guān)斷損耗。1

圖 3：CPG 波形?

控制信號(hào)產(chǎn)生

建議的 CPG 需要兩個(gè)控制信號(hào)，并且可以通過(guò) PWM 輸入信號(hào)和幾個(gè)邏輯門(mén)的組合輕松確認(rèn)。圖 4顯示了對(duì)控制提議的 CPG 的基本原理的確認(rèn)?。延遲單元基本上可以使用具有各種值的 RC 濾波器來(lái)執(zhí)行。1

圖 4：CPG 控制邏輯實(shí)現(xiàn)?

提議的 CPG 的好處和挑戰(zhàn)

優(yōu)點(diǎn)包括在開(kāi)啟階段的低開(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵陂_(kāi)啟開(kāi)關(guān)瞬態(tài)期間為柵極電容器充電的柵極電流較高。與傳統(tǒng) VSG 相比，這是通過(guò)泵柵極驅(qū)動(dòng)輸出電壓的電壓實(shí)現(xiàn)的。1?已泵送的充電電壓降低回正常柵極電源電壓。這最終將避免任何類(lèi)型的過(guò)度充電。1 ?SiC MOSFET 的開(kāi)啟開(kāi)關(guān)速度可以通過(guò)改變外柵極電阻輕松調(diào)整。1?因此，用建議的 CPG 替換電源轉(zhuǎn)換器中的傳統(tǒng) VSG 很方便。它的挑戰(zhàn)包括電荷存儲(chǔ)電容器電壓和更高的 dV/dt。?

參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)建議的 CPG 時(shí)，選擇合適的電容 C P很重要。?圖 5?顯示了虹吸電壓 V P?和外門(mén)對(duì)地電壓 (V gse ?+ V n ) 與不同 C P的波形。1?在導(dǎo)通瞬態(tài)期間，C P?將電荷轉(zhuǎn)移到 C GS。?

圖 5：不同 Cp 的開(kāi)啟階段電壓波形?

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在 Wolfspeed 最先進(jìn)的芯片技術(shù)的幫助下，使用 SiC MOSFET 對(duì)建議的 CPG 進(jìn)行了測(cè)試，如圖 6所示?。?表 1 和表 2?表示與 CPG 相關(guān)的參數(shù)和 MOSFET 的特性。?

圖 6：CPG 的原型?

表 1：碳化硅 MOSFET 的特性?

表 2：柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)?

結(jié)論

本文介紹了一種能夠改善 SiC MOSFET 導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗的 CPG 驅(qū)動(dòng)器。已對(duì)建議的 CPG 和傳統(tǒng)的 VSG 進(jìn)行了比較。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，所提出的 CPG 的導(dǎo)通損耗值降低了 71.7%，而滿載條件下的開(kāi)關(guān)時(shí)間降低了 67.4%。?

審核編輯：湯梓紅