【经验】针对基于SiC MOSFET设计的ANPC电路的寄生导通问题的解决方案

时间： 2019-04-30 来源：Vincotech

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VINCOTECH碳化硅（SiC） MOSFET能够满足1500V太阳能逆变器的高开关速度、高系统效率要求，可实现高集成度和高功率密度，但在开关性能方面仍有不足之处，即存在寄生导通问题。《基于SiC MOSFET设计的ANPC电路，其低侧MOSFET的双脉冲测试结果及原因分析》一文对该问题的根本原因进行了分析，本文主要介绍该问题的解决方案及方案可行性。

1、米勒箝位电路

在MOSFET的栅极驱动器上安装外部米勒箝位电路，该电路的效果取决于电路与MOSFET之间的电感值，以及MOSFET的内部栅极电阻。在本文所讨论的电路中，栅极环路的电感（包括模块的引脚、接合线以及PCB的铜走线）低于4nH，因此米勒箝位电路的效果受限于MOSFET的内部栅极电阻，栅极电阻越大，电路发挥的作用越小。本文所讨论的电路中栅极电阻达几欧姆，能够阻止电荷移动。

2、负的栅极偏置电压

增加负的栅极偏置电压，直至检测不到寄生导通。然而，大部分供应商都将最大的负栅极电压限制在了-5V左右，这其中还包括所有的瞬变。根据经验，在MOSFET关断时会产生一个负的电压尖峰，这个尖峰也限制了静态负栅极电压的取值（因为两者之和不能超过负栅极电压的最大额定值）。因此该方案是不可行的。

若负电压尖峰超过了给定的保证器件可靠性的限值，将会导致栅极氧化物降解，使MOSFET的阈值电压降为0，从而影响MOSFET的长期可靠性。

图1 低侧SiC MOSFET的关断波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=-6/16V）

3、带分离输出的ANPC（有源中点箝位）电路

将高侧MOSFET电路和低侧MOSFET电路分成两部分，两者间接一个分离电感（以模块引脚的杂散电感作为分离电感，无需额外增加组件）。在两个MOSFET上增加二极管，以保证电路的正常功能（如图2所示）。分离电感使开关的输出电容失效，从而避免受到高dV/dt的影响，防止米勒电容引起的充电电荷注入栅极。该解决方案可以减小图3中的第二个电流峰值，但不能完全消除它。

图2 带分离输出的ANPC电路

图3 增加50nH分离电感后的低侧SiC MOSFET的导通波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=0/16V）

4、带分离输出、外加栅极电容的ANPC电路

基于前述的第3种方案，再在MOSFET的栅极和源极间接一个电容（如图4所示），就能完全消除米勒效应所带来的影响。从图5可以看到，第二个电流峰值消失了，表明这种方案能够防止寄生导通。栅极电容降低了dV/dt，也有助于减少EMC。

图4 带分离输出、外加栅极电容的ANPC电路

图5 增加50nH分离电感、10nF栅极电容后的低侧SiC MOSFET的导通波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=0/16V）

5、智能栅极驱动器

当米勒电荷涌入栅极时，智能栅极驱动器可动态地泄放栅极电压，使之达到一个更低的负值；当高dV/dt通过半桥结构的中点后，需要将栅极电压恢复至标称值。图1中的负栅极电压尖峰，可以作为负的栅极偏置电压。当一侧MOSFET的栅极电压处于最低负值时，导通另一侧MOSFET，此时因米勒效应而加在MOSFET栅极上的电压会使最终的栅极电压增大，但其绝对值不会达到导通阈值（如图6所示）。图中高侧MOSFET的栅极电压是用一个差分探头测量的，所以在图中可以看到低侧MOSFET开关时产生的电容电流对测量结果的影响。

图6 使用智能栅极驱动器时高侧MOSFET和低侧MOSFET栅极的波形图

使用智能栅极驱动器也许是解决寄生导通问题的可行方案，但是驱动的时间点还需要优化，方案的长期可靠性和有效性也有待验证。

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针对光伏发电系统逆变器，世强元件电商推荐Vincotech的IGBT模块、Renesas的IGBT单管、Wolfspeed的MOSFET、Wolfspeed的SiC二极管、Littelfuse的Sic MOSFET、PI或Silicon Labs的驱动IC、Renesas的驱动光耦、WIMA的滤波电容、Melexis的电流传感器等产品。

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