【導(dǎo)讀】硅基MOSFET和IGBT過去一直在電力電子應(yīng)用行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，這些應(yīng)用包括不間斷電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、泵以及電動(dòng)汽車（EV）等。然而，市場對(duì)更小型化產(chǎn)品的需求，以及設(shè)計(jì)人員面臨的提高電源能效的壓力，使得碳化硅（SiC）MOSFET成為這些應(yīng)用中受歡迎的替代品。
硅基MOSFET和IGBT過去一直在電力電子應(yīng)用行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，這些應(yīng)用包括不間斷電源、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、泵以及電動(dòng)汽車（EV）等。然而，市場對(duì)更小型化產(chǎn)品的需求，以及設(shè)計(jì)人員面臨的提高電源能效的壓力，使得碳化硅（SiC）MOSFET成為這些應(yīng)用中受歡迎的替代品。
與硅基MOSFET一樣，SiC MOSFET的工作特性和性能也依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，該電路負(fù)責(zé)開啟和關(guān)閉器件。然而，SiC的特定特性要求對(duì)MOSFET器件和柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仔細(xì)選擇，以確保安全地滿足應(yīng)用需求，并盡可能提高效率。在本文中，我們將討論為SiC MOSFET選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)考慮的標(biāo)準(zhǔn)。
電力電子設(shè)計(jì)中的效率
電力電子系統(tǒng)可處理高達(dá)數(shù)十兆瓦的大量電能，在當(dāng)今市場上，電力電子應(yīng)用設(shè)計(jì)越來越受到效率需求以及法規(guī)要求的推動(dòng)。電流密度和效率是實(shí)現(xiàn)市場所需的更小外形尺寸的關(guān)鍵因素，因?yàn)楦叩男士山档凸模瑥亩鴾p少對(duì)印刷電路板和外殼冷卻解決方案的需求。
隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，效率問題也受到了越來越多的關(guān)注。例如，MOSFET是電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（PDS）的關(guān)鍵元件，這些系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)著電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)歐盟委員會(huì)估計(jì)，僅在歐洲就有約80億臺(tái)電動(dòng)機(jī)在使用，其消耗的電能幾乎占該地區(qū)電能的一半1。因此，毋庸置疑，這些設(shè)備的電氣效率會(huì)受到越來越嚴(yán)格的監(jiān)管要求。
SiC MOSFET只要使用得當(dāng)，就能在功率密度和效率方面提供顯著優(yōu)勢。更緊湊的SiC元件具有更高的開關(guān)頻率，可以減小整體系統(tǒng)尺寸，在電動(dòng)汽車等對(duì)空間和重量敏感的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。不過，為了實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的潛在優(yōu)勢，必須通過精心選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，使器件適合應(yīng)用的具體要求。
SiC MOSFET 特性
系統(tǒng)尺寸和電氣效率是許多現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵要求，而碳化硅已成為一種流行的半導(dǎo)體技術(shù)。作為一種寬禁帶材料，SiC與硅相比具有眾多優(yōu)勢，包括高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高最大電流密度和卓越的導(dǎo)電性。此外，SiC的低開關(guān)損耗和高工作頻率也提高了效率，特別是在需要大電流、高溫和高熱導(dǎo)率的應(yīng)用中。
碳化硅器件的電壓閾值高達(dá)10千伏，而硅器件的電壓閾值僅為900伏，臨界擊穿場強(qiáng)也更高，因此厚度更薄的碳化硅器件可以支持更高的額定電壓。
如果實(shí)施得當(dāng)，SiC器件能為設(shè)計(jì)人員帶來效率和開關(guān)頻率方面的重要優(yōu)勢，而且更緊湊的SiC元件還能減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。這些優(yōu)勢對(duì)于電動(dòng)汽車、軌道交通或能源基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)空間和重量敏感的應(yīng)用極為有用。隨著碳化硅技術(shù)不斷進(jìn)步，可承受的電壓也越來越高，器件的額定電壓可達(dá)1700V及以上，它相對(duì)于傳統(tǒng)硅材料的優(yōu)勢將更加明顯。
SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)考慮因素
柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)可確保電源應(yīng)用中使用的MOSFET安全運(yùn)行。選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮的因素包括：
?米勒電容(CDG) 與寄生導(dǎo)通(PTO)
SiC MOSFET容易產(chǎn)生寄生導(dǎo)通(PTO)，這是由于米勒電容CDG在開關(guān)過程中將漏極電壓耦合到柵極。當(dāng)漏極電壓上升時(shí)，該耦合電壓可能會(huì)短暫超過柵極閾值電壓，使MOSFET導(dǎo)通。在同步降壓轉(zhuǎn)換器等電路中，MOSFET通常成對(duì)使用，其中有一個(gè)高壓側(cè)和一個(gè)低壓側(cè)MOSFET，而PTO會(huì)導(dǎo)致這些電路中的“直通”（shoot-through）導(dǎo)通。
當(dāng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)發(fā)生直通導(dǎo)通，導(dǎo)致高壓通過兩個(gè)MOSFET短路到GND。這種直通的嚴(yán)重程度取決于MOSFET的工作條件和柵極電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵因素包括總線電壓、開關(guān)速度，(dv/dt)和漏極-源極電阻(RDS(ON))。在最壞的情況下，PTO會(huì)引發(fā)災(zāi)難性的后果，包括短路和MOSFET損壞。
與PCB布局和封裝有關(guān)的寄生電容和電感也會(huì)加劇PTO。如下文所述，可以通過對(duì)器件的關(guān)斷電壓進(jìn)行負(fù)偏置來避免這種情況。
?柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍
MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過向其柵極施加電壓實(shí)現(xiàn)的，電壓由專用的柵極驅(qū)動(dòng)器提供，如圖1所示。柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)提供拉電流，使MOSFET的柵極充電至最終導(dǎo)通電壓VGS(ON)，并在器件放電至最終關(guān)斷電壓VGS(OFF)時(shí)提供灌電流。
圖1：柵極驅(qū)動(dòng)器在MOSFET開/關(guān)操作中的驅(qū)動(dòng)方式和電流路徑。MOSFET模型包括寄生電容，如CGD和CGS，它們必須充電和放電。
柵極驅(qū)動(dòng)的正電壓應(yīng)足夠高，以確保MOSFET能夠完全導(dǎo)通，同時(shí)又不超過最大柵極電壓。在使用碳化硅MOSFET時(shí)，必須考慮到它們通常需要比硅MOSFET更高的柵極電壓。同樣，雖然0 V的電壓足以確保硅MOSFET關(guān)斷，但通常建議SiC器件采用負(fù)偏置電壓，以消除寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。在關(guān)斷過程中，允許電壓向下擺動(dòng)到-3 V甚至-5 V，這樣就有了一定的余量或裕度，可以避免在某些情況下觸發(fā)VGS(TH)，從而意外導(dǎo)通器件。
以這種方式負(fù)偏置柵極電壓還能降低MOSFET的EOFF損耗。如圖2所示，在驅(qū)動(dòng)安森美的第2代"EliteSiC M3S "系列SiC MOSFET時(shí)，將關(guān)斷電壓從0 V降到-3 V，可將EOFF損耗降低25%。
圖2：負(fù)柵極偏置（來源：AND90204/D）
RDS(ON)是當(dāng)器件通過施加到柵極上的特定柵極到源極電壓（VGS）導(dǎo)通時(shí)，MOSFET的漏極和源極之間的電阻。隨著VGS的增加，RDS(ON)通常會(huì)減小，一般來說，RDS(ON)越小越好，因?yàn)镸OSFET被用作開關(guān)。總柵極電荷QG(TOT)是使MOSFET完全導(dǎo)通所需的電荷，單位為庫侖，通常與RDS(ON)成反比。QG(TOT)電荷由柵極驅(qū)動(dòng)器提供，因此驅(qū)動(dòng)器必須能夠提供拉灌所需的電流。
優(yōu)化功率損耗
要利用碳化硅MOSFET降低開關(guān)損耗，設(shè)計(jì)人員需要注意權(quán)衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損耗是其導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗之和。導(dǎo)通損耗的計(jì)算公式為ID2*RDS(ON)，其中ID為漏極電流，選擇RDS(ON)較低的器件可將導(dǎo)通損耗降至最低。然而，由于上述QG(TOT)與RDS(ON)之間的反比關(guān)系，較低的RDS(ON)值要求柵極驅(qū)動(dòng)器具有較高的拉電流和灌電流。換句話說，當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇RDS(ON)值較低的SiC MOSFET來減少大功率應(yīng)用中的導(dǎo)通損耗時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器的拉電流（導(dǎo)通）和灌（關(guān)斷）電流要求也會(huì)相應(yīng)增加。
SiC MOSFET的開關(guān)損耗更為復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兪艿絈G（TOT）、反向恢復(fù)電荷(QRR)、輸入電容(CISS)、柵極電阻(RG)、EON損耗和EOFF損耗等器件參數(shù)的影響。開關(guān)損耗可以通過提高柵極電流的開關(guān)速度來降低，但與此同時(shí)，較快的開關(guān)速度可能會(huì)帶來不必要的電磁干擾（EMI），特別是在半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在預(yù)期的開關(guān)關(guān)斷時(shí)還可能觸發(fā)PTO。如上所述，還可以通過負(fù)偏置柵極電壓來降低開關(guān)損耗。
柵極驅(qū)動(dòng)器示例- 安森美 NCP(V)51752
因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)對(duì)于確保電力電子應(yīng)用中的SiC MOSFET按預(yù)期工作至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，市場上有大量由安森美等制造商提供的專用柵極驅(qū)動(dòng)IC，這些IC讓設(shè)計(jì)者無需把精力放在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)中，同時(shí)節(jié)省了物料清單（BoM）成本和PCB空間。
例如，NCP(V)51752系列隔離式SiC柵極驅(qū)動(dòng)器專為功率MOSFET和SiC MOSFET器件的快速開關(guān)而設(shè)計(jì)，拉電流和灌電流分別為4.5 A和9 A。NCP(V)51752系列包括創(chuàng)新的嵌入式負(fù)偏壓軌機(jī)制，無需系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)器提供負(fù)偏壓軌，從而節(jié)省了設(shè)計(jì)工作和系統(tǒng)成本。
結(jié)論
SiC MOSFET具有增強(qiáng)的導(dǎo)電性、低開關(guān)損耗、高工作頻率和高耐壓能力，為快速電池充電器和伺服驅(qū)動(dòng)器等電力電子應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員帶來了眾多優(yōu)勢。柵極驅(qū)動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)是確保SiC MOSFET發(fā)揮預(yù)期功能、優(yōu)化損耗并防止PTO情況造成損壞的關(guān)鍵。因此，謹(jǐn)慎選擇MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)最終應(yīng)用的性能至關(guān)重要。
[1]歐盟委員會(huì) - 能源標(biāo)簽和生態(tài)設(shè)計(jì), https://ec.europa.eu/info/energy-climate-change-environment/standards-to..., retrieval date: 6/21/2021.
（本文作者：Bob Card，安森美營銷經(jīng)理）
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