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%。
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子区间 1 (t0–t1)
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子区间 3 (t2–t3)
子区间 4 (t3–t4)
子区间 5 (t4–t5) 1
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控制信号产生
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图 4：cpg 控制逻辑实现
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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
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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。
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表 1：碳化硅 mosfet 的特性
表 2：栅极驱动参数
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