利用米勒钳位抑制SiC MOSFET栅极电压故障的方法(一)

        碳化硅mosfet 的栅极驱动要求与硅mosfet和IGBT相似,然而, 优越的开关能力结合这些功率器件和寄生元件的特殊电气特性需要特别注意栅极驱动电路的布局设计,以避免产生振铃和过冲现象。

        在栅极源端子上的诱导米勒导通效应和振幅电压故障,可能由于较高的目标换向速度和负栅极电压幅值而略微加剧,最大额定值(AMR)与正额定值不同,这与硅器件的典型预期相反。因此建立适当的驱动条件非常重要,通过适当的方法来防止这些异常,而不过度影响设备的切换性能。使用米勒钳代替标准门驱动器,配置允许最佳钳位和最佳门控制下的高速开关事件,消除不必要的米勒感应导通效应。为了证明这一概念,ST第二代650 V SiC mosfet用于研究开关瞬态期间栅极-源极处出现的这些异常。
 

故障现象的产生原因:

      在桥式拓扑中,在一个开关的VDS电压的高负转换率期间,电流注入到栅极由互补开关(CGD)的米勒电容决定。开关栅极上出现电压尖峰由于米勒电流在整个栅极路径阻抗上引起的下降。如果正VGS尖峰在VDS瞬态快速上升过程中,超过开关VGS(th),可能会在对半部分发生击穿桥低阈值电压的功率器件,如SiC MOSFET,更容易受到感应电压的影响打开,这就是为什么需要采取某些预防措施。阈值的负温度系数电压也会助长这种现象,通过以下方法可以避免电容性寄生导通的潜在风险:减小RGoff值。



      一般来说,由于在开关节点上施加正或负dv/dt,导致瞬时电流IGD流过MOSFET Miller电容CGD的电荷,从而产生故障现象。通过CGD的一些电流从栅极端子流出,并通过驱动-漏电阻返回,在MOSFET上产生寄生电压尖峰。在负dv/dt期间,发生在半桥拓扑中互补开关的关断处,负VGS峰值必须保持在AMR内,以避免任何可能的栅氧化层损坏。

    

        当在发射极杂散电感上感应电压时,负载电流关闭期间也会产生感应寄生导通。在这种情况下,电流的衰减会在杂散源上产生电压,从而将源电势转移到负电平。然而,感应寄生导通可以是通过增加RGoff进行限制,有助于控制故障现象的有用方法包括限制dV/dt额定值,最小化寄生栅极回路电感,选择具有低下拉输出阻抗的驱动器或实现负栅极偏置。

       通过使用单独的关断栅极驱动网络路径或在栅极到源极之间放置一个小电容器,也可以限制由于快速正向dv/dt额定值而导致的假导通现象,以降低效率提高和更高的开关损耗为代价。有更先进的技术,例如“有源Miller钳位”,可用于提供低阻抗路径,而不影响关断回转率控制。

 

减少G-S故障的技术

       将开关栅极驱动至负电压可增加尖峰电平和VGS(th)之间的安全度。然而,由于在相反的dv/dt瞬态中由CGD放电引起的负尖峰,过低的负电压会增加超过VG的AMR下限的风险;最好的权衡通常是根据相关设备的最大额定值,负电压介于-2 V和-5 V之间。

       当外部开关已经关闭时,使用有源米勒钳位来缓解感应G-S故障,可以在不影响关断转换率控制的情况下建立低阻抗路径,这有助于避免感应故障开启现象。此外,它还根据关断速度启用关断栅极电阻器仅限要求(EOFF),并有助于减少相反过程中CGD放电引起的负栅极尖峰dv/dt瞬态。


 

有源米勒钳位的工作原理

       栅极和源极之间的附加开关在高dV/dt情况下控制米勒电流,并且在达到电压水平后短接栅极至源极使SiC MOSFET完全关闭。在关断开关期间,当栅极电压下降到低于相对于VEE的阈值电压值时,检测到栅极电压并激活钳位(见图6。有源Miller钳位)。通过米勒电容的电流由晶体管分流,而不是流经输出驱动器VOUT。米勒钳位功能仅在SiC MOSFET关闭期间有效,不影响SiC MOS开启。它可以节省成本,消除对负电源电压和额外电容器的需要导致的减少驱动器效率。



通过(Miller)电容的电压耦合

      除Miller转移电容外,为了最小化对振铃现象的灵敏度,需要考虑的另一个重要参数是在VDS=0 V时最大振幅的Crss-Ciss比,以及其如何随VDS变化而减小。当MOSFET的漏极和源极之间出现电压时,它耦合到栅极并使内部栅极源电容器充电。如果栅极上的电压升高,超过MOSFET阈值电压后,它开始重新开启,这可能会导致交叉传导,电容CRS和CIS的比率决定了这种影响的严重性。第2代SiC MOSFET也在第1代上有所改进,具有更好的CGD/CGS比,这决定了电压耦合,以及较小的CGD和较大的CGS使器件关闭时的残余VG最小化(电容性分隔器)。


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