碳化硅 MOSFET 憑借顯著的開關(guān)性能優(yōu)勢(shì)，在許多大功率應(yīng)用中得到青睞。然而它的特性要求柵極驅(qū)動(dòng)電路有較高要求，以優(yōu)化碳化硅器件的開關(guān)性能。盡管碳化硅 MOSFET 并非難以驅(qū)動(dòng)，但許多常見的驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)性能下降。

SiLM27531H 柵極驅(qū)動(dòng)器所具備的特性和參數(shù)，是其能夠在推薦的最佳驅(qū)動(dòng)配置下驅(qū)動(dòng)碳化硅 MOSFET。本文主要闡述了碳化硅MOSFET 的特性，低邊高速驅(qū)動(dòng)芯片SiLM27531H 的特點(diǎn)及在碳化硅 MOSFET 中的應(yīng)用，并展示了相關(guān)電路的測試結(jié)果。

概述

SiLM27531H在碳化硅器件中的應(yīng)用

在大功率電力電子領(lǐng)域，傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）雖具備耐受 1kV 高壓及大電流的能力，但因關(guān)斷過程中存在顯著的電流拖尾效應(yīng)，導(dǎo)致關(guān)斷損耗較高，典型開關(guān)頻率被限制在 20~30kHz。相比之下，寬禁帶碳化硅（SiC）MOSFET 憑借優(yōu)異的開關(guān)性能可顯著提升系統(tǒng)開關(guān)頻率，進(jìn)而提高能量轉(zhuǎn)換效率。盡管碳化硅器件單體成本較高，但通過縮減變壓器、電容等外圍元件體積及降低系統(tǒng)整體空間需求，可實(shí)現(xiàn)總成本優(yōu)化。此外，傳統(tǒng)硅 MOSFET 的耐壓能力通常不超過 900V，而高于該電壓等級(jí)的低導(dǎo)通阻抗硅 MOSFET 在市場上或稀缺或成本高昂，進(jìn)一步凸顯了碳化硅 MOSFET 的應(yīng)用價(jià)值。

寬禁帶碳化硅 MOSFET 特點(diǎn)及 SiLM27531H 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)硅 MOSFET 相比，碳化硅 MOSFET 具有如下顯著的性能優(yōu)勢(shì)以及驅(qū)動(dòng)需求特點(diǎn) ：

1. 導(dǎo)通與耐壓特性：

具備更低的導(dǎo)通阻抗和更高的耐壓等級(jí)，可在高壓大功率場景下實(shí)現(xiàn)低損耗運(yùn)行。

2. 開關(guān)速度優(yōu)勢(shì)：

器件寄生電容極低且開關(guān)過程中電荷轉(zhuǎn)移量少，開關(guān)速度遠(yuǎn)高于硅。

3. 高溫穩(wěn)定性：

在最高結(jié)溫條件下，導(dǎo)通電阻增幅遠(yuǎn)低于硅 MOSFET，漏源極漏電流變化幅度小，高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定性更優(yōu)。

4. 柵極電壓需求：

跨導(dǎo)相對(duì)較低，需更高柵源電壓以實(shí)現(xiàn)低漏源極飽和電壓。硅 MOSFET 通常在 8~10V 柵源電壓下即可達(dá)到理想飽和狀態(tài)，而碳化硅 MOSFET 則需 15~20V 正向柵源電壓。

5. 閾值與負(fù)偏置需求：

導(dǎo)通閾值電壓與硅 MOSFET 相當(dāng)或更低，導(dǎo)致其在可變電阻區(qū)工作時(shí)柵源電壓變化范圍更大。由于開關(guān)速度快，關(guān)斷過程中漏源電壓高變化率易通過漏柵電容產(chǎn)生米勒效應(yīng)，若未施加負(fù)柵源電壓且驅(qū)動(dòng)布局未優(yōu)化，可能使柵極電壓達(dá)到導(dǎo)通閾值引發(fā)誤導(dǎo)通。因此，碳化硅 MOSFET 通常需 - 2V 至 - 5V 的關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓。

SiLM27531H 是一款單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)可靠的低邊碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，主要有以下關(guān)鍵性能優(yōu)勢(shì)：

1. 供電電壓裕量充足：

碳化硅 MOSFET 推薦正向驅(qū)動(dòng)電壓 18V、負(fù)壓驅(qū)動(dòng)電壓 - 3V 至 -5V，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路所需電壓可能需要 23V 以上。考慮偏置容差及瞬態(tài)干擾余量，則需要更高的供電電壓。SiLM27531H 額定工作電壓高達(dá) 30V，可以為驅(qū)動(dòng)電壓優(yōu)化提供充足冗余空間。

2. 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)配置：

采用開通與關(guān)斷引腳分離設(shè)計(jì)，可分別設(shè)置最優(yōu)導(dǎo)通與關(guān)斷柵極電阻。相比單引腳輸出驅(qū)動(dòng)器需通過并聯(lián)電阻與二極管組合實(shí)現(xiàn)的方案，該設(shè)計(jì)消除了二極管壓降影響，在關(guān)斷過渡過程中可將柵源電壓可靠鉗位至低電平，同時(shí)簡化電路設(shè)計(jì)。

3. 驅(qū)動(dòng)電流能力：

碳化硅 MOSFET 在可變電阻區(qū)柵極電壓擺幅大，快速通過該區(qū)域可縮短達(dá)到最低漏源飽和電壓的時(shí)間；同時(shí)，關(guān)斷時(shí)需驅(qū)動(dòng)芯片具備足夠灌電流能力以鉗位柵源電壓。另外，并聯(lián)碳化硅 MOSFET 的應(yīng)用中，需要的驅(qū)動(dòng)電流更大。SiLM27531H 的驅(qū)動(dòng)電流高達(dá) 5A 的性能可滿足上述雙重需求。

4. 欠壓保護(hù)機(jī)制：

欠壓鎖定閾值為 13.5V，支持通過外部電路調(diào)整欠壓閾值或利用 EN 控制引腳設(shè)定正常工作范圍，可配合系統(tǒng)時(shí)序控制及電源電壓故障監(jiān)測，確保功率回路在驅(qū)動(dòng)偏置正常后啟動(dòng)。

下圖是 SiLM27531H 的典型應(yīng)用圖。

圖1.SiLM27531H 驅(qū)動(dòng) MOSFET 的典型應(yīng)用圖

應(yīng)用SiLM27531H實(shí)現(xiàn)碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)方案

由于碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電壓需要負(fù)電壓偏置，如圖2.所示，將 SiLM27531H 的供電低電平偏置后驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電平即可獲得負(fù)電壓 VNEG，其中負(fù)電平 VNEG 和系統(tǒng)地的偏置電壓通過 4.7V 穩(wěn)壓管和分壓電阻實(shí)現(xiàn)。

SiLM27531H 的輸入信號(hào)一般從系統(tǒng) MCU 輸出提供，而系統(tǒng) MCU 地和 SiLM27531H 的 VNEG 地并不一致，所以 MCU 的輸出驅(qū)動(dòng)電平需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后傳遞至 SiLM27531H 實(shí)現(xiàn)正常輸入。

主功率回路采用 Boost 升壓拓?fù)?，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輸入的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)頻率，確保功率器件工作于預(yù)設(shè)狀態(tài)。

圖 2.SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)中的試驗(yàn)原理圖

SiLM27531H驅(qū)動(dòng)碳化硅 MOSFET 試驗(yàn)結(jié)果

碳化硅 MOSFET 采用英飛凌的 IMBG120R116M2H, 測試過程中通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，獲得瞬態(tài)試驗(yàn)波形如下：

CH1: VGS CH2: VDS

圖 3. SiLM27531H 的開通波形

碳化硅 MOSGET開通特性：當(dāng)開通電阻 RON=100Ω 時(shí)，開通速度適中（約 200ns），驅(qū)動(dòng)電壓 VGS 波形呈現(xiàn)明顯的米勒平臺(tái)，整體波形穩(wěn)定無異常擾動(dòng)（圖3.所示）

CH1: VGS CH2: VDS

圖 4. SiLM27531H 的關(guān)斷波形

碳化硅 MOSFET 關(guān)斷特性：設(shè)置關(guān)斷電阻 ROFF=50Ω 時(shí)，關(guān)斷過程中漏源電壓 VDS 無顯著過沖，波形平滑穩(wěn)定，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)參數(shù)配置的合理性（圖4.所示）

SiLM27531H 驅(qū)動(dòng)碳化硅 MOSFET 的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)開通電壓通常需要18V 電壓，而關(guān)斷的電壓需要 -4.7V，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓的高電平 VDD 與負(fù)電壓 VNEG 絕對(duì)值之和則為 18V+4.7V=22.7V，這樣可利用一路 22.7V的直流隔離電源供給 SiLM27531H 即可實(shí)現(xiàn)低邊碳化硅 MOSFET 負(fù)電壓關(guān)斷和高電壓開通，注意這路電源需和系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)電氣隔離。另外，也可以分別用兩路隔離電源提供 18V 和 -4.7V，以獲得更穩(wěn)定的電源性能。

驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)處理

采用簡單的開關(guān)分立器件電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換（如圖2.所示）可實(shí)現(xiàn)輸入不同電壓域的信號(hào)轉(zhuǎn)換，MCU 的輸出信號(hào)電壓為 0~3.3V，經(jīng)過 PFET 器件電路轉(zhuǎn)換輸出需要考慮器件開通關(guān)斷帶來的信號(hào)延時(shí)問題。減少下拉電阻R1和上拉電阻R2可以減少信號(hào)延時(shí)，但同時(shí)會(huì)帶來整體功耗增加。SiLM27531H 的 EN 輸入信號(hào)如果也需要從 MCU 側(cè)輸入，則也需要類似的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。另外，雖然 SiLM27531H 的 UVLO 的閾值為 13.5V，但是在此應(yīng)用中，由于 VNEG 和系統(tǒng)地相差 4.7V，實(shí)際的 UVLO閾值對(duì)系統(tǒng)地則為 13.5-4.7=9.8V。如需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的信號(hào)傳輸，可以考慮數(shù)字隔離器的方式。

并聯(lián)碳化硅 MOSFET 的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

碳化硅 MOSFET 經(jīng)常需要通過并聯(lián)使用以提升電流容量，并聯(lián)的核心是“對(duì)稱”和“匹配”。但是碳化硅 MOSFET 器件的高頻特性和寄生參數(shù)敏感性，使得并聯(lián)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)比硅器件更復(fù)雜，主要是要實(shí)現(xiàn)碳化硅 MOSFET 器件的開關(guān)過程與導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)的電流均衡，避免單器件過流損壞。使用單一驅(qū)動(dòng)器給多顆碳化硅 MOSFET 器件驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)一，一致，達(dá)到并聯(lián)均衡電流的效果，但這需要驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流足夠大，以保證驅(qū)動(dòng)多顆碳化硅 MOSFET 器件。SiLM27531H 高達(dá) 5A 的驅(qū)動(dòng)電流能力很好滿足這個(gè)需求。另外，在并聯(lián)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，分別配置每顆碳化硅 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電阻也有助于減少器件間柵極的寄生電感和電容引起的震蕩，保證每顆碳化硅 MOSFET 器件導(dǎo)通瞬間和關(guān)斷瞬間盡可能一致，如圖2. 所示。

電路布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

碳化硅 MOSFET 的高速開關(guān)特性對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的布局設(shè)計(jì)提出嚴(yán)苛要求，需最大限度降低驅(qū)動(dòng)回路寄生電感以避免性能退化。SiLM27531H 采用小尺寸封裝設(shè)計(jì)，且開通與關(guān)斷驅(qū)動(dòng)分別配置獨(dú)立引腳，可實(shí)現(xiàn)緊湊、簡潔的布局方案，典型布局示例如圖 5所示。為了提高電路性能和穩(wěn)定性，其中 SiC 功率管的 Sense 線與 Source 線分開走線，以便減少寄生電感，提高檢測精度，實(shí)現(xiàn) Kelvin 連接。

圖 5.SiLM27531H 驅(qū)動(dòng)和碳化硅 MOSFET 布局示意圖

總 結(jié)

碳化硅 MOSFET 在高壓、大功率場景中展現(xiàn)出卓越的開關(guān)性能，但其性能充分發(fā)揮依賴于高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路及優(yōu)化的布局設(shè)計(jì)。由于碳化硅 MOSFET 對(duì)負(fù)向關(guān)斷驅(qū)動(dòng)偏置電壓的需求及更高的最佳正向柵源電壓，其驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓需求高于傳統(tǒng)硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。SiLM27531H 的 30V 額定工作電壓為驅(qū)動(dòng)電平優(yōu)化提供了充足裕量，有效應(yīng)對(duì)偏置電壓容差及線路瞬態(tài)干擾。

針對(duì)碳化硅 MOSFET 快速開關(guān)帶來的挑戰(zhàn)，SiLM27531H 通過獨(dú)立驅(qū)動(dòng)引腳設(shè)計(jì)、充足驅(qū)動(dòng)電流能力及優(yōu)化的布局適配性，可有效抑制米勒效應(yīng)導(dǎo)致的誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，加速柵源電壓轉(zhuǎn)換以降低可變電阻區(qū)損耗，并在開關(guān)瞬態(tài)過程中維持 VGS 穩(wěn)定性。同時(shí)，利用簡單可靠的電平轉(zhuǎn)換電路可以解決輸入電平不一致問題。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了 SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的可靠性與性能優(yōu)勢(shì)，為高壓大功率碳化硅系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了高效解決方案。