关于功率MOS管上的正、负电压浪涌对策

浪涌抑制电路

本文开始，将介绍针对所产生的SiC功率元器件中浪涌的对策。本文先介绍浪涌抑制电路。

关于SiC功率元器件中栅极－源极间电压产生的浪涌，在之前发布的Tech Web基础知识 SiC功率元器件 应用篇的“SiC MOSFET：桥式结构中栅极－源极间电压的动作”中已进行了详细说明。

浪涌抑制电路

如上一篇所述，SiC功率元器件中栅极-源极电压（VGS）的正浪涌在开关侧和非开关侧均有发生，但是尤其会造成问题的是在LS（低边）导通时的非开关侧（HS：高边）的事件（II）。右侧的波形图与上一篇中给出的波形图相同。

其原因是开关侧已经处于导通状态，因此，当非开关侧的正浪涌电压超过SiC MOSFET的栅极阈值电压（VGS(th)）时，HS和LS会同时导通并流过直通电流。

只是由于SiC MOSFET的跨导比Si MOSFET的跨导小一个数量级以上，因此不会立即流过过大的直通电流。所以即使流过了直通电流，也具有足够的冷却能力，只要不超过MOSFET的Tj(max)，基本上没有问题。然而，直通电流毕竟是降低系统整体效率的直接因素，肯定不是希望出现的状态，因此就有必要增加用来来抑制浪涌电压的电路，以更大程度地确保浪涌电压不超过SiC MOSFET的VGS(th)。

抑制电路的示例如下。这些电路图是在SiC MOSFET的普通驱动电路中增加了浪涌抑制电路后的电路示例。抑制电路（a）是使用关断用的驱动电源VEE2时的电路，而抑制电路（b）是不使用VEE2的示例。在这两个电路中，VCC2都是导通用的驱动电源，OUT1是SiC MOSFET的导通/关断信号，OUT2是镜像钳位 控制信号，GND2是驱动电路的GND。

另外，下表中列出了所添加的抑制电路的功能。添加了上面电路图中红色标记的部件。

効用	符号	说明
抑制正浪涌	D2 (C2)	抑制开关侧导通时的正浪涌电压（C2是旁路电容器）
抑制负浪涌	D3 (C3)	抑制开关侧和非开关侧的负浪涌（C3是旁路电容器）
抑制正/负浪涌	Q2	抑制非开关侧的正负浪涌
抑制误导通	C1	抑制非开关侧的正浪涌

由于D2和D3通常会吸收数十ns的脉冲，因此需要尽可能将其钳制在低电压状态 ，为此通常使用肖特基势垒二极管（SBD）。另外，选择SOD-323FL等底部电极型低阻抗封装产品效果更好。

正电压浪涌对策

本部分的关键要点

・通过采取措施防止栅极－源极间电压的正电压浪涌，来防止LS导通时的HS误导通。

・具体方法取决于各电路中所示附加上的对策电路。

・如果栅极驱动IC没有驱动米勒钳位用MOSFET的控制功能，则很难通过米勒钳位进行抑制。

・作为米勒钳位的替代方案，可以通过增加误导通抑制电容器来处理。

关于SiC功率元器件中栅极－源极间电压产生的浪涌，在之前发布的Tech Web基础知识 SiC功率元器件 应用篇的“SiC MOSFET：桥式结构中栅极－源极间电压的动作”中已进行了详细说明。

右图显示了同步升压电路中LS导通时栅极－源极电压的行为，该图在之前的文章中也使用过。要想抑制事件（II），即HS（非开关侧）的VGS的正浪涌，正如在上一篇文章的表格中所总结的，采用浪涌抑制电路的米勒钳位用MOSFET Q2、或误导通抑制电容器C1是很有效的方法（参见下面的验证电路）。

为了验证抑制电路的效果，将抑制电路单独安装在SiC MOSFET（SCT3040KR）的驱动电路上并观察了其波形。下面是所用SiC MOSFET的外观和主要规格，仅供参考。

以下电路为用来验证的抑制电路，共四种：（a）无抑制电路，（b）仅有米勒钳位用的MOSFET（Q2），（c）仅有钳位用的肖特基势垒二极管D2、D3、C2，（d）仅有误导通抑制电容器C1。通过“双脉冲测试”确认了GS的浪涌电压。

下面是使用了各验证电路的双脉冲测试的波形。这是导通时的波形，从上到下依次显示了开关侧栅极－源极电压（VGS_HS）、非开关侧栅极－源极电压（VGS_LS）、漏极－源极电压（VDS）、和漏极电流（ID）。同时，给出了前述的抑制电路（a）、（b）、（c）的波形，并将上一篇文章中的正电压抑制电路（b）的波形作为“（e）”一并列出。（e）的电路是配备了前述（b）～（d）所有抑制电路的电路。

从上面的波形图中可以明显看出，在没有对策电路的（a）和只有钳位SBD的（c）中，可以看到结果是未能抑制正浪涌电压，VGS_LS波形隆起，并显著超过了栅极导通阈值，ID也比其他电路大。也就是说，非开关侧的MOSFET（在本例中为LS）发生了误导通。

要想防止这种误动作，配备有米勒钳位电路的对策电路 （b） 是必不可少的措施。而实际安装米勒钳位电路时，需要能够驱动米勒钳位用MOSFET的控制信号。该信号需要在监控VGS电压的同时控制驱动时序，一般情况下，很多驱动IC都具有该功能，但如果使用不具有该控制功能的驱动IC，则很难实现这种对策电路。

在这种情况下，如验证电路（d）所示，可以在MOSFET的栅极－源极间连接误导通抑制电容器C1，作为浪涌对策电路。连接了误导通抑制电容器C1时的导通波形如下图所示。波形（a）是没有C1的波形，波形（b）、（c）和（d）是有C1、C1分别为2.2nF、3.3nF和4.7nF时的波形。从图中可以看出，与没有C1的（a）相比，在具有C1的（b）、（c）和（d）中，VGS_LS的波形隆起更小，ID的导通浪涌也更小。

但是，从ID的波形中也可以看出，当连接了误导通抑制电容器C1时，导通动作会根据其电容量而减慢，从而会导致开关损耗增加。因此，C1的容值应该选用所需要尽量小的值。在此次的评估中，波形（b）所示的2.2nF可以说是正合适的。

负电压浪涌对策

本部分的关键要点

・通过采取措施防止SiC MOSFET中栅极－源极间电压的负电压浪涌，来防止SiC MOSFET的LS导通时，SiC MOSFET的HS误导通。

・具体方法取决于各电路中所示的对策电路的负载。

・如果栅极驱动IC没有控制功能，则很难通过米勒钳位进行抑制。

・作为米勒钳位的代替方案，通过结合使用钳位肖特基势垒二极管和误导通抑制电容器，与正浪涌之间取得平衡，从而达到优化的目的。

关于SiC功率元器件中栅极－源极间电压产生的浪涌，在之前发布的Tech Web基础知识 SiC功率元器件 应用篇的“SiC MOSFET：桥式结构中栅极－源极间电压的动作”中已进行了详细说明。

负电压浪涌对策

右图显示了同步升压电路中LS关断时栅极－源极电压的行为，该图在之前的文章中也使用过。要想抑制事件（IV），即HS（非开关侧）的VGS的负浪涌，正如在上一篇文章“浪涌抑制电路”的表格中所总结的，采用浪涌抑制电路的米勒钳位用MOSFET Q2、或钳位用SBD（肖特基势垒二极管）D3是很有效的方法（参见下面的验证电路）。

下面的电路是上一篇中用来验证正浪涌对策的抑制电路。使用“（a）无抑制电路、（b）仅有米勒钳位用的MOSFET（Q2）、（c）仅有钳位用的肖特基势垒二极管、（d）仅有误导通抑制电容器C1”这四种电路，通过“双脉冲测试”确认了VGS的浪涌电压。

下面是双脉冲测试中关断时的波形、从上到下依次显示了开关侧栅极－源极电压（VGS_HS）、非开关侧栅极－源极电压（VGS_LS）、漏极－源极电压（VDS）和漏极电流（ID）。图中一并列出了前述的抑制电路（a）、（b）、（c）、以及同时具备抑制电路（b）和（c）的电路（e）的波形。

从这个波形图中可以看出，除了没有对策电路的（a）外，其他任何一个抑制电路都可以消除负浪涌。

接下来，请看仅连接了误导通抑制电容器C1的验证电路（d）在双脉冲测试中的关断波形。电路图与上面给出的电路图一样。波形（a）是没有C1的比较用波形，波形（b）、（c）和（d）是有C1、C1分别为2.2nF、3.3nF和4.7nF时的波形。与不加C1的（a）相比，加了C1的波形（b）、（c）、（d）中，VGS_LS的负浪涌略有降低，但效果并不明显。因此，作为对策，需要从抑制电路（b）和（c）中作出选择，但由于（c）不能抑制正浪涌，所以最终选择（b）。如果米勒钳位控制困难且无法选择抑制电路（b），则需要通过结合使用（c）和（d）来测试和优化整个系的效率。