[发明专利]一种MOSFET栅源电压响应高频脉冲干扰的方法

说明书

本发明提供一种MOSFET栅源电压响应高频脉冲干扰的方法，将受到干扰的栅源电压划分为干扰动态分量以及稳态分量；根据干扰动态分量以及稳态分量建立栅源电压的动态响应模型，用于预测高频大功率变换器中，MOSFET栅源电压的干扰尖峰和振荡，具备简洁的数学表征和直观的物理意义。

技术领域

本发明涉及一种MOSFET栅源电压响应高频脉冲干扰的方法。

背景技术

随着材料技术的进步，采用SiC、GaN等宽禁带半导体材料生成的功率MOSFET具有耐压高、开关速度快的优势，然而，这一优势却迫使漏源电压和电流的变化率变得更高，严重影响了栅源电压的稳定性。功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在使用中，漏源电压和电流的剧烈变化通过米勒电容反射，导致栅源电压受到干扰出现尖峰和振荡，影响栅源电压稳定性，降低MOSFET寿命甚至直接引起MOSFET失效，严重制约着电力电子装置性能提升，威胁着电力电子装置的安全可靠运行。

为抑制栅源电压干扰，首先应当理解其产生机理。为此，国内外学者采用数学建模的思路，对栅源电压干扰的机理进行了深入探讨。在简单机理模型分析方面，这些模型分析着眼于确定开关速度的关键限制因素，结果表明，对于宽禁带器件，在桥臂结构中限制其开关速度的两个主要因素是栅极驱动能力和栅源电压干扰问题，进而依据电压变化率、驱动电阻和结电容等效电路估算了干扰引起的栅源电压最大变化值；例如参考文献[1]、[2]以及[3]；

在参考文献[4]中详细介绍了10kV SiC MOSFET在开关瞬态时的表征，指出在导通瞬态中，栅源电压干扰的正向尖峰将可能产生击穿电流，且由于该击穿电流的存在，增大导通电流和导通损耗；在关断瞬态中，栅源电压干扰的负向尖峰在超过允许范围时将会导致器件性能退化。在此基础上，讨论了对栅源电压的干扰和对开关速度的限制，并在极端情况下，即假设通过器件的米勒电容的所有电流都对其栅源电容进行充电时，通过结电容等效电路估算最大栅源电压变化幅度；

上述的机理模型解释了栅源电压干扰的本质原因，为改进栅极驱动器、消除干扰、提高开关速度提供了概念性依据；然而，尚未考虑影响SiC MOSFET动态特性的关键杂散参数，如栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感等，栅源电压干扰机理尚不完备。

在复杂机理模型分析方面：

参考文献[5]中建立了一个连续器件的电路分析模型，对桥臂结构下高压增强型GaN晶体管的栅源电压干扰导致的误导通现象进行了研究：首先建立了考虑高压增强型GaN晶体管的非线性I-V和C-V特性器件模型；然后，将器件特性与各种电路参数相结合，建立了电路级模型；最后将分段切换过程模型和PSpice仿真相比，证明该模型获得了更精确的分析结果；

参考文献[6]中基于GaN器件的桥臂电路，考虑所有的电路寄生参数，分析并建立数学模型，对栅源电压干扰造成的误导通现象进行了全面的定量分析，为工程实践中GaN基变换器的器件选择、PCB设计和调试提供了准确的参考，可用来评估、判断误导通问题的发生；

参考文献[7]中面向工程实际中常见桥臂结构电路的杂散参数，基于MOSFET等效结电容模型、戴维南定理和叠加原理，并考虑MOSFET体二极管反向恢复、漏源电压变化的非线性以及驱动回路电感的影响，研究提出了一种栅源电压干扰分析模型，由变换器的寄生参数明确对应表示；

参考文献[8]中不仅引入了宽禁带器件的结电容等效电路，还考虑了驱动回路电感和功率回路电感的影响，建立了用于栅源电压干扰机理分析的六阶模型；