SiC MOSFET的桥式结构及栅极驱动电路

SiC MOSFET的桥式结构

下面给出的电路图是在桥式结构中使用SiC MOSFET时最简单的同步式boost电路。该电路中使用的SiC MOSFET的高边（HS）和低边（LS）是交替导通的，为了防止HS和LS同时导通，设置了两个SiC MOSFET均为OFF的死区时间。右下方的波形表示其门极信号（VG）时序。

该电路中HS和LS MOSFET的Drain-Source电压（VDS）和漏极电流（ID）的波形示意图如下。这是电感L的电流处于连续动作状态，即所谓的硬开关状态的波形。

横轴表示时间，时间范围Tk（k=1～8）的定义如下：

T1： LS为ON时、MOSFET电流变化的时间段

T2： LS为ON时、MOSFET电压变化的时间段

T3： LS为ON时的时间段

T4： LS为OFF时、MOSFET电压变化的时间段

T5： LS为OFF时、MOSFET电流变化的时间段

T4～T6： HS变为ON之前的死区时间

T7： HS为ON的时间段（同步整流时间段）

T8： HS为OFF时、LS变为ON之前的死区时间

SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路

LS（低边）侧SiC MOSFET Turn-on和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。在探讨SiC MOSFET的这种变化对Gate-Source电压（VGS）带来的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路基础上进行考量。

右图是最基本的栅极驱动电路和SiC MOSFET的等效电路。栅极驱动电路中包括栅极信号（VG）、SiC MOSFET内部的栅极线路内阻（RG_INT）、以及SiC MOSFET的封装的源极电感量（LSOURCE）、栅极电路局部产生的电感量（LTRACE）和外加栅极电阻（RG_INT）。

关于各电压和电流的极性，需要在等效电路图中，以栅极电流（IG）和漏极电流（ID）所示的方向为正，以源极引脚为基准来定义VGS和VDS。

SiC MOSFET内部的栅极线路中也存在电感量，但由于它比LTRACE小，因此在此忽略不计。

导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作

为了理解桥式电路的Turn-on / Turn-off动作，下面对上一篇文章中提到的桥式电路中各SiC MOSFET的电压和电流波形进行详细说明。下面的波形图与上次的波形图是相同的。我们和前面的等效电路图结合起来进行说明。

当正的VG被施加给LS侧栅极信号以使LS侧ON时，Gate-Source间电容（CGS）开始充电，VGS上升，当达到SiC MOSFET的栅极阈值电压（VGS(th)）以上时， LS的ID开始流动，同时从源极流向漏极方向的HS侧ID开始减少。这个时间范围就是前一篇文章中定义的T1（见波形图最下方）。

接下来，当HS侧的ID变为零、寄生二极管 Turn-off时，与中间点的电压（VSW）开始下降的同时，将对HS侧的Drain-Source间电容（CDS）及Drain-Gate间电容（CGD）进行充电（波形图T2）。对该HS侧的CDS＋CGD充电（LS侧放电）完成后，当LS侧的VGS达到指定的电压值，LS侧的 Turn-on动作完成。

而Turn-off动作则在LS侧VG OFF时开始，LS侧的CGS蓄积的电荷开始放电，当达到SiC MOSFET的平台电压（进入米勒效应区）时，LS侧的VDS开始上升，同时VSW上升。

在这个时间点，大部分负载电流仍在LS侧流动（波形图T4），HS侧的寄生二极管还没有转流电流。LS侧的CDS+CGD充电（HS侧为放电）完成时，VSW超过输入电压（E），HS侧的寄生二极管Turn-on，LS侧的ID开始转向HS侧流动（波形图T5）。

LS侧的ID最终变为零，进入死区时间（波形图T6），当正的VG被印加给HS侧MOSFET的栅极信号时Turn-on，进入同步工作时间（波形图T7）。

在这一系列的开关工作中，HS侧和LS侧MOSFET的VDS和ID变化导致的各种栅极电流流动，造成了与施加信号VG不同的VGS变化。

审核编辑：郭婷