用于高功率和高頻應用的最有前途的器件之一是 SiC MOSFET。2,3?它支持更高的結溫，其特點包括低導通電阻和更高的開關。SiC MOSFET 允許構建具有更高功率密度和更高效率的轉換器。然而，SiC MOSFET 的廣泛采用受到其開關損耗的限制。大部分損耗發生在開啟階段，如器件數據表和報告測試結果所示。

SiC MOSFET 的開關性能由柵極驅動控制。電壓源柵極驅動 (VSG) 是 MOSFET 中使用最廣泛的結構，因為它成本低且結構簡化。9-13?隨著柵極電流的降低，可以看到柵極電壓上升。當米勒平臺現象發生時，這種上升變得恒定；當柵極驅動輸出電壓處于恒定速率時會發生這種情況。1?整個過程如圖 1所示?。為了提高功率器件的開關速度，需要在發生開關瞬態時提高柵極電流14–17，為此，設計了電流源柵極。原始文章可以在這里找到?。?

圖 1：開啟瞬態期間的柵極電流

電荷泵柵極驅動 (CPG)

有限的柵極電流是提高 SiC MOSFET 開啟開關速度的原因。為了找到解決方案，需要進一步研究在典型 VSG 的導通瞬態過程之間影響柵極電流的因素。SiC MOSFET 的柵極電壓額定值為 20 V。1?柵極驅動器可滿足開關過程中的兩個主要要求：首先，柵極驅動器應提供足夠量的柵極電流，以減少開關過程中的開關時間。開關瞬態階段。其次，柵極驅動器應該能夠在瞬態和穩態期間保持柵極電壓處于受控狀態。?

柵極電壓應保持在 MOSFET 的額定值以下。1?由于第二個條件，已經注意到不能增加柵極驅動器電源電壓。?圖 2?描繪了柵極驅動器的理想電源電壓。為了增加電壓量，需要更多的變壓器和電源，這最終會增加與柵極驅動相關的成本和復雜性。18?電壓偏移需要精確的控制信號來避免柵極過壓，這不僅增加了電路的復雜性，而且不能自適應地適應不同的負載和總線電壓條件，其中開關瞬態時間會發生變化。1

圖 2：具有理想電壓電源的柵極驅動?

CPG的工作原理

典型的導通開關周期有五種模式。?圖 3?顯示了在此過程中形成的波形。當導通瞬態開始時，操作如下：?

子區間 1 (t0–t1)?

子區間 2 (t1–t2)?

子區間 3 (t2–t3)?

子區間 4 (t3–t4)?

子區間 5 (t4–t5) 1??

典型的 VSG 和建議的 CPG 具有類似的關斷過程，因為導通損耗遠大于關斷損耗。1

圖 3：CPG 波形?

控制信號產生

建議的 CPG 需要兩個控制信號，并且可以通過 PWM 輸入信號和幾個邏輯門的組合輕松確認。圖 4顯示了對控制提議的 CPG 的基本原理的確認?。延遲單元基本上可以使用具有各種值的 RC 濾波器來執行。1

圖 4：CPG 控制邏輯實現?

提議的 CPG 的好處和挑戰

優點包括在開啟階段的低開關損耗，因為在開啟開關瞬態期間為柵極電容器充電的柵極電流較高。與傳統 VSG 相比，這是通過泵柵極驅動輸出電壓的電壓實現的。1?已泵送的充電電壓降低回正常柵極電源電壓。這最終將避免任何類型的過度充電。1 ?SiC MOSFET 的開啟開關速度可以通過改變外柵極電阻輕松調整。1?因此，用建議的 CPG 替換電源轉換器中的傳統 VSG 很方便。它的挑戰包括電荷存儲電容器電壓和更高的 dV/dt。?

參數設計

在設計建議的 CPG 時，選擇合適的電容 C P很重要。?圖 5?顯示了虹吸電壓 V P?和外門對地電壓 (V gse ?+ V n ) 與不同 C P的波形。1?在導通瞬態期間，C P?將電荷轉移到 C GS。?

圖 5：不同 Cp 的開啟階段電壓波形?

實驗結果

在 Wolfspeed 最先進的芯片技術的幫助下，使用 SiC MOSFET 對建議的 CPG 進行了測試，如圖 6所示?。?表 1 和表 2?表示與 CPG 相關的參數和 MOSFET 的特性。?

圖 6：CPG 的原型?

表 1：碳化硅 MOSFET 的特性?

表 2：柵極驅動參數?

結論

本文介紹了一種能夠改善 SiC MOSFET 導通開關損耗的 CPG 驅動器。已對建議的 CPG 和傳統的 VSG 進行了比較。該實驗的結果表明，所提出的 CPG 的導通損耗值降低了 71.7%，而滿載條件下的開關時間降低了 67.4%。?

審核編輯：湯梓紅