用于改善SiC MOSFET导通瞬态的电荷泵栅极驱动

用于高功率和高频应用的最有前途的器件之一是 SiC MOSFET。2,3 它支持更高的结温，其特点包括低导通电阻和更高的开关。SiC MOSFET 允许构建具有更高功率密度和更高效率的转换器。然而，SiC MOSFET 的广泛采用受到其开关损耗的限制。大部分损耗发生在开启阶段，如器件数据表和报告测试结果所示。

SiC MOSFET 的开关性能由栅极驱动控制。电压源栅极驱动 (VSG) 是 MOSFET 中使用最广泛的结构，因为它成本低且结构简化。9-13 随着栅极电流的降低，可以看到栅极电压上升。当米勒平台现象发生时，这种上升变得恒定；当栅极驱动输出电压处于恒定速率时会发生这种情况。1 整个过程如图 1所示 。为了提高功率器件的开关速度，需要在发生开关瞬态时提高栅极电流14–17，为此，设计了电流源栅极。原始文章可以在这里找到 。 

图 1：开启瞬态期间的栅极电流

电荷泵栅极驱动 (CPG)

有限的栅极电流是提高 SiC MOSFET 开启开关速度的原因。为了找到解决方案，需要进一步研究在典型 VSG 的导通瞬态过程之间影响栅极电流的因素。SiC MOSFET 的栅极电压额定值为 20 V。1 栅极驱动器可满足开关过程中的两个主要要求：首先，栅极驱动器应提供足够量的栅极电流，以减少开关过程中的开关时间。开关瞬态阶段。其次，栅极驱动器应该能够在瞬态和稳态期间保持栅极电压处于受控状态。 

栅极电压应保持在 MOSFET 的额定值以下。1 由于第二个条件，已经注意到不能增加栅极驱动器电源电压。 图 2 描绘了栅极驱动器的理想电源电压。为了增加电压量，需要更多的变压器和电源，这最终会增加与栅极驱动相关的成本和复杂性。18 电压偏移需要精确的控制信号来避免栅极过压，这不仅增加了电路的复杂性，而且不能自适应地适应不同的负载和总线电压条件，其中开关瞬态时间会发生变化。1

图 2：具有理想电压电源的栅极驱动 

CPG的工作原理

典型的导通开关周期有五种模式。 图 3 显示了在此过程中形成的波形。当导通瞬态开始时，操作如下： 

子区间 1 (t0–t1) 

子区间 2 (t1–t2) 

子区间 3 (t2–t3) 

子区间 4 (t3–t4) 

子区间 5 (t4–t5) 1  

典型的 VSG 和建议的 CPG 具有类似的关断过程，因为导通损耗远大于关断损耗。1

图 3：CPG 波形 

控制信号产生

建议的 CPG 需要两个控制信号，并且可以通过 PWM 输入信号和几个逻辑门的组合轻松确认。图 4显示了对控制提议的 CPG 的基本原理的确认 。延迟单元基本上可以使用具有各种值的 RC 滤波器来执行。1

图 4：CPG 控制逻辑实现 

提议的 CPG 的好处和挑战

优点包括在开启阶段的低开关损耗，因为在开启开关瞬态期间为栅极电容器充电的栅极电流较高。与传统 VSG 相比，这是通过泵栅极驱动输出电压的电压实现的。1 已泵送的充电电压降低回正常栅极电源电压。这最终将避免任何类型的过度充电。1  SiC MOSFET 的开启开关速度可以通过改变外栅极电阻轻松调整。1 因此，用建议的 CPG 替换电源转换器中的传统 VSG 很方便。它的挑战包括电荷存储电容器电压和更高的 dV/dt。 

参数设计

在设计建议的 CPG 时，选择合适的电容 C P很重要。 图 5 显示了虹吸电压 V P 和外门对地电压 (V gse  + V n ) 与不同 C P的波形。1 在导通瞬态期间，C P 将电荷转移到 C GS。 

图 5：不同 Cp 的开启阶段电压波形 

实验结果

在 Wolfspeed 最先进的芯片技术的帮助下，使用 SiC MOSFET 对建议的 CPG 进行了测试，如图 6所示 。 表 1 和表 2 表示与 CPG 相关的参数和 MOSFET 的特性。 

图 6：CPG 的原型 

表 1：碳化硅 MOSFET 的特性 

表 2：栅极驱动参数 

结论

本文介绍了一种能够改善 SiC MOSFET 导通开关损耗的 CPG 驱动器。已对建议的 CPG 和传统的 VSG 进行了比较。该实验的结果表明，所提出的 CPG 的导通损耗值降低了 71.7%，而满载条件下的开关时间降低了 67.4%。 

审核编辑：汤梓红