MOSFET和IGBT等电源开关元器件被广泛应用于各种电源应用和电源线路中。另外，所使用的电路方式也多种多样，除单独使用外，还有串联连接、并联连接等多种使用方法。其中，在将开关元件上下串联连接的桥式结构中，通常交替地导通与关断各个元器件。下面是常规的桥式结构同步方式boost电路，波形图是根据栅极信号交替地导通/关断的低边（LS）MOSFET和高边（HS）MOSFET的漏极－源极间电压（VDS）和漏极电流（ID）示例。
通过开关工作，流过各元件的电流和变化的电压以复杂的方式相互影响。尤其是在处理高电压高电流的电路中，受安装电路板和结线引起的寄生分量等影响，产生电压和电流的动作，并因此导致工作不稳定、效率下降，从而可能导致损耗增加、产生异常发热等问题。近年来，SiC MOSFET等高性能功率元器件的应用，使得通过高速开关转换大功率成为可能，但在操作过程中，需要对开关工作有深入的了解。在该系列文章中，我们将着眼于MOSFET桥式结构中的各MOSFET的栅极－源极间电压的动作，以简单的同步方式boost电路为例，对以下内容进行探讨：
SiC MOSFET的桥式结构
下面给出的电路图是在桥式结构中使用SiC MOSFET时最简单的同步式boost电路。该电路中使用的SiC MOSFET的高边（HS）和低边（LS）是交替导通的，为了防止HS和LS同时导通，设置了两个SiC MOSFET均为OFF的死区时间。右下方的波形表示其门极信号（VG）时序。
该电路中HS和LS MOSFET的Drain-Source电压（VDS）和漏极电流（ID）的波形示意图如下。这是电感L的电流处于连续动作状态，即所谓的硬开关状态的波形。
横轴表示时间，时间范围Tk（k=1～8）的定义如下：
· T1： LS为ON时、MOSFET电流变化的时间段
· T2： LS为ON时、MOSFET电压变化的时间段
· T3： LS为ON时的时间段
· T4： LS为OFF时、MOSFET电压变化的时间段
· T5： LS为OFF时、MOSFET电流变化的时间段
· T4～T6： HS变为ON之前的死区时间
· T7： HS为ON的时间段（同步整流时间段）
· T8： HS为OFF时、LS变为ON之前的死区时间
SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路
LS（低边）侧SiC MOSFET Turn-on和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。在探讨SiC MOSFET的这种变化对Gate-Source电压（VGS）带来的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路基础上进行考量。下图是最基本的栅极驱动电路和SiC MOSFET的等效电路。栅极驱动电路中包括栅极信号（VG）、SiC MOSFET内部的栅极线路内阻（RG_INT）、以及SiC MOSFET的封装的源极电感量（LSOURCE）、栅极电路局部产生的电感量（LTRACE）和外加栅极电阻（RG_INT）。
关于各电压和电流的极性，需要在等效电路图中，以栅极电流（IG）和漏极电流（ID）所示的方向为正，以源极引脚为基准来定义VGS和VDS。SiC MOSFET内部的栅极线路中也存在电感量，但由于它比LTRACE小，因此在此忽略不计。
导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作
为了理解桥式电路的Turn-on / Turn-off动作，下面对前文中提到的桥式电路中各SiC MOSFET的电压和电流波形进行详细说明。下面的波形图与上次的波形图是相同的。我们和前面的等效电路图结合起来进行说明。当正的VG被施加给LS侧栅极信号以使LS侧ON时，Gate-Source间电容（CGS）开始充电，VGS上升，当达到SiC MOSFET的栅极阈值电压（VGS(th)）以上时， LS的ID开始流动，同时从源极流向漏极方向的HS侧ID开始减少。这个时间范围就是前文中定义的T1（见波形图最下方）。接下来，当HS侧的ID变为零、寄生二极管 Turn-off时，与中间点的电压（VSW）开始下降的同时，将对HS侧的Drain-Source间电容（CDS）及Drain-Gate间电容（CGD）进行充电（波形图T2）。对该HS侧的CDS＋CGD充电（LS侧放电）完成后，当LS侧的VGS达到指定的电压值，LS侧的 Turn-on动作完成。而Turn-off动作则在LS侧VGOFF时开始，LS侧的CGS蓄积的电荷开始放电，当达到SiC MOSFET的平台电压（进入米勒效应区）时，LS侧的VDS开始上升，同时VSW上升。在这个时间点，大部分负载电流仍在LS侧流动（波形图T4），HS侧的寄生二极管还没有转流电流。LS侧的CDS+CGD充电（HS侧为放电）完成时，VSW超过输入电压（E），HS侧的寄生二极管Turn-on，LS侧的ID开始转向HS侧流动（波形图T5）。LS侧的ID最终变为零，进入死区时间（波形图T6），当正的VG被加给HS侧MOSFET的栅极信号时Turn-on，进入同步工作时间（波形图T7）。
桥式电路的开关产生的电流和电压
在前文中对SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路的导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行了解说。接下来将介绍在SiC MOSFET这一系列开关动作中，SiC MOSFET的VDS和ID的变化会产生什么样的电流和电压。下面的电路图是SiC MOSFET桥式结构的同步式boost电路，LS开关导通时的示例。电路图中包括SiC MOSFET的寄生电容、电感、电阻，HS和LS的SiC MOSFET的VDS和ID的变化带来的各处的栅极电流（绿色线）。
ID的变化dID/dt所产生的电压
ID的变化将会产生下述公式（1）所示的电压。
这是由于存在于SiC MOSFET源极的寄生电感中流过ID而产生的电压，是由电路图中的(I)引起的。该电压会使电流(I’)流过。以HS为例，当SiC MOSFET关断、VDS变化时，Gate-Drain寄生电容CGD中会流过电流ICGD。如电路图所示，该电流分为Gate-Source寄生电容CGS侧流过的电流ICGD1：(II)-1和栅极电路侧流过的电流ICGD2：(II)-2。当VDS开始变化时，栅极电路侧的阻抗较大，因此大部分ICGD都在CGS侧，此时的ICGD1如公式（2）所示。
从公式可以看出，当CGD较大时或CGD/CGS的比值变小时，ICGD1会增加。dVDS/dt和dID/dt既可以为正也可以为负，所以因它们而产生的电流和电压的极性在导通（Turn-on）和关断（Turn-off）时是不同的。
SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作
当SiC MOSFET的LS导通时，首先ID会变化（下述波形示意图T1）。此时LS的ID沿增加方向、HS的ID沿减少方向流动，受下述等效电路图中所示的事件(I)影响，在图中所示的极性产生公式（1）的电动势。公式（1）与上一篇文章中使用的公式相同。该电动势引起的电流将源极侧作为正极对CGS进行充电，因此在LS会将VGS向下推，在HS会将VGS向负极侧拉，使之产生负浪涌（波形示意图VGS的T1）。
当ID的变化结束时，LS的VDS的电位降低（波形示意图T2）。所以，公式（2）中的电流就像等效电路图中的(II)-1、(II)-2那样流动，并且VGS会分别引发下列公式（3）、（4）中的电压上升。
VDS刚刚开始变化后，公式（3）的VGS上升为主，随着时间的推移，公式（4）的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。
外置栅极电阻的影响
下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。（a）波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，（b）为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。
比较(a)和(b)的波形可以看出，RG_EXT越小，由事件(I)引起的VGS下降就越大。此外，由于开关速度非常快，因此事件(III)在(a)中很突出；但由于RG_EXT为0Ω，因此几乎没有观察到事件(II)的波形。另一方面，在(b)中，事件(II)-2和RG_EXT引起的VGS升程明显。从该结果可以清楚地看出，要想降低诱发LS导通时HS误启动的事件(II)-2的VGS升程，就需要减小HS关断时的外置栅极电阻RG_EXT。然而，多数情况下，HS和LS的RG_EXT是相同的，因此，当减小RG_EXT时，LS的dVDS/dt将增加，如公式（1）所示，HS的ICGD会增加。从公式（4）可以看出，结果会导致HS浪涌升高。有一种对策方法是，使导通时和关断时的RG_EXT分离，并且仅减小关断时的RG_EXT。常规方法是使用二极管的方法，如右图所示。使用这种方法，在导通状态下工作的电阻只有RG_ON，而在关断状态下，二极管导通并成为RG_ON和RG_OFF的并联电阻。因此，相对于导通时的电阻值，关断时的电阻值变小。
另外，与最前面说明中使用的波形示意图不同，HS的VGS波形之所以在紧靠事件(I)之前的位置向正极侧振荡，是因为事件(I)的电流开始流动的瞬间LSOURCE引起的电动势在通过CGS后立即被观测到了。
低边开关关断时的栅极 – 源极间电压的动作
下面是表示LS MOSFET关断时的电流动作的等效电路和波形示意图。与导通时的做法一样，为各事件进行了(IV)、(V)、(VI)编号。与导通时相比，只是VDS和ID变化的顺序发生了改变，其他基本动作是一样的。与导通时的事件之间的对应关系如下：
关断 |
| 导通 |
事件(IV) | → | 事件(II) |
事件(V) | → | 事件(III) |
事件(VI) | → | 事件(I) |
dVDS/dt带来的LS的VGS上升和HS的VGS负浪涌（波形示意图T4）是事件(IV)。
波形示意图的T4周期结束时，公式（1）所示的ICGD1消失时发生的浪涌是事件(V)。公式（1）与之前使用的公式相同。然后，漏极电流发生变化（波形示意图T6），并发生公式（2）所示的LSOURCE引起的电动势，电流如等效电路的事件(VI)中所示流动。公式（2）也与之前使用的公式相同。
可以看出的动作是，由于该电流以源极侧为负极向MOSFET的CGS充电，因此在HS侧将VGS推高，在LS侧将VGS向正极侧拉升，以防止VGS下降。结果就产生了波形示意图所示的VGS动作。波形示意图中VGS的虚线表示理想的电压波形。
外置栅极电阻的影响
下面是SiC MOSFET桥式结构的LS关断时的双脉冲测试结果。（a）波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω时，（b）为10Ω。图中的(IV)、(V)、(VI)即前面提到的事件。
如波形图所示，可以看到事件（V）的浪涌非常明显。
尽管由VDS的变化引起的事件（IV）的影响很小，但由于HS中事件（IV）引起的负浪涌常常会超过额定值，在这种情况下，就需要对电路采取相应的措施。要想减少这种关断时的HS负浪涌，需要减小HS栅极电阻RG_EXT。然而，需要注意的是，在前面介绍过的常用栅极电阻调节电路中，事件（IV）在电阻值高的RG_ON侧较为突出。关于由事件(VI)引起的VGS抬升，由于该时刻正好在关断（Turn-off）结束之前，所以即使HS进入导通（Turn-on）动作，SiC MOSFET桥式结构的LS也已经被关断，几乎不会造成什么问题。由于SiC MOSFET的动作相互之间没有关联，因此桥式结构中SiC MOSFET的栅极电压非常复杂。此外，栅极驱动电路的条件不同其动作也有显著差异。
例如，即使电路方式、所使用的SiC MOSFET以及其他部件相同，也可能因仅仅更改了电路板或布线布局而表现出完全不同的动作。也可以说应该重点关注“动作因电路板和布线的不同而显著不同”这点，在电路板或布局不同的情况下，如果因为电路具有良好的记录而忽略了评估，将会造成严重的后果。了解了这里提到的基本工作和波形动作机制，将有助于处理在实际设计过程中遇到的问题。这次使用的示例是一个对LS SiC MOSFET进行开关的升压电路，不过在对HS SiC MOSFET进行开关的降压电路中，仅仅是LS和HS的替换，动作是相同的。因此，可以作为使用硬开关的各种电路拓扑中的基本思想来应用。
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