近年來，基于寬禁帶材料的器件技術(shù)的不斷發(fā)展，碳化硅器件的實(shí)際工程應(yīng)用，受到了越來越廣泛的關(guān)注。相較傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅MOSFET具有較小的導(dǎo)通電阻以及很快的開關(guān)速度，與硅IGBT相比，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗均有明顯減小。SiC MOSFET器件的使用，給實(shí)際系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高，以及系統(tǒng)體積的進(jìn)一步減小帶來了希望。尤其在光伏逆變與電池充電等對效率和體積均有較高要求的應(yīng)用場合，SiCMOSFET的工程使用已成為炙手可熱的話題。

SiC最大的優(yōu)勢在于效率的提升，以汽車電力牽引逆變器為例，使用SiC MOSFET轉(zhuǎn)換效率會比硅基IGBT有5%~8%的續(xù)航提升，這也就意味著在相同的電池容量下，用SiC MOSFET的車輛可以減少5%~8%的電池配備。從成本角度來衡量，使用SiC器件還是具有一定經(jīng)濟(jì)效益的。

因此，如何提升SiC器件的性能，也成為了備受關(guān)注的問題。在電路設(shè)計(jì)層面，柵極驅(qū)動電路作為功率器件與電源系統(tǒng)的通信橋梁，是驅(qū)動SiC功率器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在器件選型和柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方面尤為重要。

一、柵極驅(qū)動器件選型

在柵極驅(qū)動電路驅(qū)動芯片選型方面，主要圍繞器件的共模抑制比、驅(qū)動能力、驅(qū)動延時、驅(qū)動電平等幾個維度進(jìn)行考量。

首先，共模抑制比主要是針對功率管的開關(guān)頻率，因?yàn)樘蓟鐼OSFET會比傳統(tǒng)的硅基IGBT有著更高的開關(guān)速度。

通常情況下，硅基IGBT的開關(guān)頻率只有20KHz左右，在一些風(fēng)電項(xiàng)目中使用的硅基IGBT可能會更低。而碳化硅MOSFET在硬開關(guān)電路中就可以做到100~200KHz，如果應(yīng)用在軟開關(guān)電路中，這一數(shù)值還會進(jìn)一步地提升。因此，在柵極驅(qū)動環(huán)路設(shè)計(jì)中，建議使用共模瞬變抗擾度高于100V/ns的驅(qū)動芯片。

在進(jìn)行芯片驅(qū)動能力選型時，主要考慮驅(qū)動電流的大小，以此確保功率管在工作過程中導(dǎo)通和關(guān)斷的可靠性。同時，基于碳化硅器件開關(guān)速度較高的電氣特性，在進(jìn)行器件選型時，驅(qū)動延時也是比較重要的一項(xiàng)指標(biāo)，一般情況下推薦使用延時更低（200ns以下）的驅(qū)動芯片。

另外，碳化硅MOSFET驅(qū)動電平的選擇也是一個不容忽視的問題，主要是由于目前碳化硅MOSFET驅(qū)動電平?jīng)]有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對廠商進(jìn)行制約，導(dǎo)致了不同廠商的每一代產(chǎn)品之間，因?yàn)樯a(chǎn)工藝，以及參數(shù)設(shè)計(jì)的不同，或多或少都存在著一定的差異，因此，在進(jìn)行碳化硅MOSFET選型時要注意驅(qū)動電平參數(shù)。

二、柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方面，想要提升碳化硅MOSFET的性能，首先需要考慮如何減小驅(qū)動回路中的雜散電感。因?yàn)橹鲃庸茉陂_關(guān)的過程中，會因?yàn)殡s散電感對被動管，造成一定的影響。因此，在PCB布線的過程中，除了需要使用ESR和ESL的除膜電容進(jìn)行就近解耦之外，還需要縮小設(shè)計(jì)環(huán)路的面積，以此減小驅(qū)動回路中的雜散電感。

其次，在驅(qū)動環(huán)路設(shè)計(jì)過程中，還需要為電路并聯(lián)一個輔助電容，在具備充足阻尼比的前提下，可以獲得一個合適的持續(xù)時間和較短的振蕩過渡過程，以保證功率管開關(guān)的可靠性。

最后，在驅(qū)動環(huán)路中，還需要設(shè)計(jì)一個合適的驅(qū)動電阻，以此抑制柵源電壓的干擾尖峰和干擾振蕩，防止因?yàn)轵?qū)動回路截止頻率過低，導(dǎo)致柵源電壓變化過緩增大開關(guān)損耗，從而達(dá)到提升功率管性能的目的。

在碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中，不僅僅需要像傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)一樣，消除環(huán)路中的雜散電感，還需要考慮驅(qū)動電阻與并聯(lián)電容該如何設(shè)計(jì)，才能在功率管在導(dǎo)通和關(guān)斷時，損耗達(dá)到最小。

三、驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求

首先，由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關(guān)場合，其面對的由于寄生參數(shù)所帶來的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實(shí)際系統(tǒng)中更容易因電路串?dāng)_發(fā)生誤導(dǎo)通，因此通常建議使用柵極負(fù)壓關(guān)斷。不同SiC MOSFET器件的柵極開啟電壓參數(shù)列舉如下圖所示：

為了提高SiC MOSFET在實(shí)際工程實(shí)際中的易用性，各半導(dǎo)體廠家在SiC MOSFET設(shè)計(jì)之初，都會盡量調(diào)整參數(shù)的折中，使得SiC MOSFET的驅(qū)動特性接近用戶所熟悉的傳統(tǒng)硅IGBT。然而，寬禁帶半導(dǎo)體器件有其特殊性，以英飛凌CoolSiC? 系列為例，從規(guī)格書與應(yīng)用指南可知，結(jié)合開關(guān)頻率與壽命計(jì)算的綜合考量，在某些應(yīng)用中可以使用15V柵極開通電壓，而柵極關(guān)斷電壓最低為-5V。當(dāng)我們將目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，會發(fā)現(xiàn)各家推薦的柵極工作電壓也有所差異。因此，理想的適用于SiC MOSFET的驅(qū)動芯片應(yīng)該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開通和關(guān)斷電壓需求，至少需要驅(qū)動芯片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達(dá)到25v。

雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅(qū)動功率相對于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅(qū)動電流的大小與開關(guān)器件工作速度密切相關(guān)，為適應(yīng)高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷的需求，需要為SiC MOS選擇具有較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片，并且如果輸出脈沖同時兼具足夠快的上升和下降速度，則驅(qū)動效果更加理想，這就意味著要求驅(qū)動芯片的上升與下降時間參數(shù)都比較小。

四、滿足較短死區(qū)時間設(shè)定的要求

在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時間的設(shè)定是影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個關(guān)鍵因素。SiC MOSFET器件的開關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT有了大幅提高，許多實(shí)際工程使用都希望能因此進(jìn)一步提高器件的工作頻率，從而提高系統(tǒng)功率密度。這也意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要較小的死區(qū)時間設(shè)定與之匹配，同時，選擇較短的死區(qū)時間，也可以保證逆變系統(tǒng)具有更高的輸出電壓質(zhì)量。

死區(qū)時間的計(jì)算，除了要考慮開關(guān)器件本身的開通與關(guān)斷時間，尤其是小電流下的開關(guān)時間之外，驅(qū)動芯片的傳輸延時也需要考量。尤其對于本身開關(guān)速度較快的開關(guān)器件，芯片的延時在死區(qū)設(shè)定的考量中所占的比重更大。另外，在隔離型驅(qū)動設(shè)計(jì)中，通常采用的是一拖一的驅(qū)動方式，因此，芯片與芯片之間的參數(shù)匹配差異，也需要在死區(qū)設(shè)定時一并考量。要滿足較小死區(qū)時間的要求，選擇驅(qū)動芯片時，需要相應(yīng)的參考芯片本身傳輸延時時間參數(shù)，以及芯片對芯片的匹配延時。

五、芯片所帶的保護(hù)功能

1、短路保護(hù)

SiC MOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET在短路特性上有所差異，以英飛凌CoolSiC? 系列為例，全系列SiC MOSFET具有大約3微秒短路耐受能力。可以利用器件本身的這一特性，在驅(qū)動設(shè)計(jì)中考慮短路保護(hù)功能，提高系統(tǒng)可靠性。

不同型號SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護(hù)響應(yīng)時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據(jù)開關(guān)管輸出特性，SiC MOSFET漏源極電壓大小可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒有明顯過渡，發(fā)生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來進(jìn)行保護(hù)。

針對SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測速度快，響應(yīng)時間短的驅(qū)動芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

此外，根據(jù)IGBT的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每次開通時，需求設(shè)定一段消隱時間來避免由于開通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計(jì)。同時，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動電路的PCB設(shè)計(jì)，保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。

2、有源米勒箝位

前文提到，SiC MOSFET的柵極開啟電壓較低，加上其寄生電容小，它對驅(qū)動電路寄生參數(shù)的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發(fā)，因此常推薦使用負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷。但同時，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負(fù)壓范圍較小，過大的負(fù)向電壓尖峰可能擊穿開關(guān)管，某些廠家提出推薦較高的負(fù)壓關(guān)斷，甚至0v關(guān)斷。此種情況下，為保證器件在關(guān)斷期間不因米勒效應(yīng)發(fā)生誤觸發(fā)，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

六、芯片抗干擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅(qū)動芯片，處于高頻應(yīng)用環(huán)境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對磁隔離型驅(qū)動芯片抗擾性地測量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實(shí)際SiC MOSFE開通和關(guān)斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數(shù)可以作為衡量用于驅(qū)動SiC MOSFE的驅(qū)動芯片抗擾度的技術(shù)參考。

綜上所述，為了在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮SiC MOSFET的高頻特性，需要選擇具有合適的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流，滿足短死區(qū)時間設(shè)計(jì)的較小傳輸延時以及芯片之間匹配延時的驅(qū)動芯片。同時，有效的保護(hù)功能與抗干擾性，可以滿足更高的系統(tǒng)可靠性要求。下表將英飛凌磁隔離驅(qū)動芯片EiceDRIVER?系列的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了比較，全系列產(chǎn)品為用戶提供了各種個性化選擇。

七、SiC MOSFET負(fù)電壓偏置

SiC MOSFET的負(fù)電壓偏置是一種通過施加反向電壓來確保器件可靠關(guān)斷的技術(shù)，主要應(yīng)用于防止誤開通和降低開關(guān)損耗。所以，通過合理設(shè)計(jì)負(fù)偏置電路，可顯著提升SiC MOSFET的可靠性和效率，降低長期運(yùn)行損耗問題，以下就是本章節(jié)我要跟大家分享的內(nèi)容：

http://weixin.qq.com/r/QhAjO9TE64mUrZBY90VQ (二維碼自動識別)

因?yàn)楸綪PT章節(jié)太多，剩下部分如有朋友有需要，可加入我“知識星球”免費(fèi)下載PDF版本。注意：此資料只可供自己學(xué)習(xí)，不可傳閱，平臺有下載記錄，切記！文末有加入“星球”方式，歡迎加入后一起交流學(xué)習(xí)。

八、SiC MOSFET驅(qū)動負(fù)壓關(guān)斷的典型電路

SiC MOSFET驅(qū)動負(fù)壓關(guān)斷模式在很多應(yīng)用場景中會影響器件開關(guān)的可靠性。跟Si功率器件比較，SiC MOSFET開關(guān)速度較快、dv/dt高，容易造成柵極串?dāng)_。當(dāng)柵極串?dāng)_電壓ΔVgs超過器件閾值電壓Vgs(th)時，器件將會存在誤開通風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，SiC MOSFET容易損壞。因此在很多工況下，SiC MOSFET需要負(fù)壓關(guān)斷用以確保系統(tǒng)安全。

如下圖所示，上管MOS關(guān)斷時候，橋臂中點(diǎn)電位下降，dv/dt通過下管的米勒效應(yīng)在下管柵極負(fù)向串?dāng)_電壓。上管開通時候，橋臂中點(diǎn)電位上升，dv/dt通過下管的米勒效應(yīng)在下管柵極正向串?dāng)_ΔVgs。當(dāng)ΔVgs>Vgs(th)，上下功率管橋臂直通，造成器件損壞。同樣原理，下管開通和關(guān)斷也會在上管柵極分別造成正向和負(fù)向串?dāng)_。

另外，SiC MOSFET的開啟閾值電壓隨溫度的升高而下降。因此，在柵極串?dāng)_作用下，高溫下器件柵極串?dāng)_電壓造成橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。因此，為防止SiC MOSFET的誤導(dǎo)通，通常需要負(fù)壓驅(qū)動。但是，目前大部分驅(qū)動芯片不支持負(fù)壓驅(qū)動。本文將推薦兩種驅(qū)動電路方案，基于單電源驅(qū)動芯片就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。

下圖為基于單電源驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路方案一。VDD1電源通過電阻R1//R2給電容C8//C9充電，電容兩端電壓快速上升到D4反向擊穿電壓以后，D4的兩端電壓穩(wěn)定，負(fù)壓VDD2隨之建立。VDD1對地PGND-HS的電壓幅值大小等于正向驅(qū)動電壓幅值和關(guān)斷負(fù)壓絕對值之和。驅(qū)動芯片6腳輸出PWM驅(qū)動信號。R6為開通電阻，R6//R8為關(guān)斷電阻。SiC MOSFET的柵極通過驅(qū)動芯片內(nèi)部集成上拉開關(guān)管接到芯片電源（VDD1）或者下拉開關(guān)管接到芯片地（PGND-HS）。

D4的穩(wěn)壓值選擇取決于驅(qū)動負(fù)壓大小。安徽芯塔電子第二代SiC MOSFET典型關(guān)斷負(fù)壓為-5V，因此D4穩(wěn)壓值的選取5V，例如VISHAY PTV4.7B（D0-220A封裝，Vz=5V)。根據(jù)穩(wěn)壓管推薦的反向工作電流來計(jì)算限流電阻R1和R2。選取Iz=40mA，那么R1//R2=（25V-5V）/ 40mA=500 ohm。經(jīng)計(jì)算R1和R2消耗功耗0.8W， 可以選取兩個1Kohm/1W SMD電阻（封裝為2512）并聯(lián)。

在某些應(yīng)用場景下，輔助電源無閉環(huán)電壓控制，VDD1電源瞬態(tài)過壓很高。這種工況下限流電阻和穩(wěn)壓管的功耗需要仔細(xì)核算，避免器件過熱損壞。

上圖中的驅(qū)動方案中，VDD1輔助電源一旦有輸出，負(fù)壓VDD2瞬間就可以建立。換而言之，負(fù)壓VDD2可以在PWM驅(qū)動信號使能之前建。因此，SiC MOSFET的每個開關(guān)周期都是負(fù)壓關(guān)斷，驅(qū)動可靠。

下圖的驅(qū)動電路方案二是利用電容C1實(shí)現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。C1比SiC MOSFET輸入電容要大很多，以確保最長的關(guān)斷時間內(nèi)，C1在放電的情況下仍舊可以提供足夠的負(fù)壓。只有在PWM驅(qū)動信號使能條件下，VDD1通過驅(qū)動芯片內(nèi)部上拉管子給C1充電。由于C1兩端電壓建立需要若干個開關(guān)周期。

因此，SiC MOSFET在最初始的若干個PMM周期關(guān)斷負(fù)壓不足，如下圖所示。開關(guān)頻率越高，C1充電到穩(wěn)定負(fù)壓的時間越長，負(fù)壓關(guān)斷不足的PWM周期數(shù)越多，驅(qū)動串?dāng)_隱患加劇。

C1電容兩端負(fù)壓建立時間和電壓紋波受開關(guān)頻率和占空比的影響。C1電容增加，電容兩端電壓紋波減小，可是負(fù)壓建立時間延長。因此，根據(jù)具體開關(guān)頻率和占空比變化范圍，可以優(yōu)化電容C1和電阻R3，調(diào)節(jié)充放電時間常數(shù)，以平衡負(fù)壓建立時間和電壓紋波兩個性能指標(biāo)。

基于上圖（方案二）的驅(qū)動電路，利用LTspice對電路進(jìn)行仿真以優(yōu)化電路參數(shù)。柵極驅(qū)動信號和C1電壓仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。在開關(guān)頻率100KHZ和0.1占空比工況下，電容C1兩端負(fù)壓40us左右（大概5個PWM周期）就建立起來，電容C1在一個開關(guān)周期內(nèi)紋波電壓0.1V。綜上所述，開關(guān)頻率過高的時候，電路方案二不建議使用。保持同樣100KHz開關(guān)頻率，當(dāng)占空比提升到0.9時候，電容C1兩端負(fù)壓3us-4us就建立起來，如下圖所示：

從兩種上述電路負(fù)壓關(guān)斷驅(qū)動方案的分析對比可知，兩種電路方案成本相當(dāng)，但第一種方案可以實(shí)現(xiàn)全PWM開關(guān)周期的額定負(fù)壓關(guān)斷，在SiC MOSFET驅(qū)動中使用更普遍。

九、驅(qū)動SiC MOSFET的影響因素

SiC MOSFET在電力電子行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。SiC MOSFET很多性能與傳統(tǒng)Si基器件不同，對驅(qū)動設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。為了最 大化利用SiC MOSFET的性能優(yōu)勢，驅(qū)動芯片的選擇需要著重考慮如下幾個方面：

1、更高的軌到軌電壓

IGBT的驅(qū)動電壓一般都是15V，而SiC MOSFET的推薦驅(qū)動電壓各品牌并不一致，15V、18V、20V都有廠家在用。更高的門極驅(qū)動電壓有助于降低器件導(dǎo)通損耗，SiC MOSFET的導(dǎo)通壓降對門極電壓的敏感性比IGBT更高，所以對SiC MOSFET使用高驅(qū)動電壓的收益更大。為了防止寄生導(dǎo)通，SiC MOSFET往往還需要負(fù)壓關(guān)斷。如果一個SiC MOSFET使用了Vgs=-5V~20V的門極驅(qū)動電壓，那么就要求前級驅(qū)動芯片的輸出電壓至少是25V，再加一定的余量，一般取35V~40V之間比較合適。

2、更高的共模抑制比

SiC MOSFET是高頻器件，不管是上升還是下降過程中的電壓變化率dv/dt都遠(yuǎn)大于IGBT，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為共模抑制比CMTI，是衡量驅(qū)動芯片是否適用于SiC MOSFE的標(biāo)準(zhǔn)之一。

3、更高的絕緣等級

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展需要引入新的電壓等級。比如，2kV SiC MOSFET可將1500VDC光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從三電平簡化至兩電壓，能夠提高系統(tǒng)效率，但是隨著電壓的提升，只有基本絕緣或者功能絕緣的驅(qū)動芯片明顯不適用。需要驅(qū)動芯片具有加強(qiáng)絕緣能力。

4、抑制誤觸發(fā)

SiC MOSFET閾值電壓相對IGBT低很多，英飛凌閾值電壓大約是4.5V，而其他很多SiC MOSFET閾值電壓僅有2~3V。再加上SiC MOSFET開關(guān)時dv/dt很高，SiC MOSFET寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)就格外嚴(yán)峻。這就要求驅(qū)動芯片最好具有米勒鉗位功能。

5、更快的短路保護(hù)響應(yīng)時間

SiC MOSFET芯片面積小，電流密度高，發(fā)熱集中，所以SiC MOSFET的短路時間大大小于IGBT，英飛凌CoolSiC? MOSFET單管保證至多3us的短路時間，而模塊保證至多2us的短路時間。在這么短的時間內(nèi)識別出短路并關(guān)斷功率器件，這對驅(qū)動芯片提出了非常高的要求。

總結(jié)一下

總的來說，柵極驅(qū)動器是連接控制信號與SiC MOSFET的橋梁，它通過電荷管理、電壓放大、寄生抑制和保護(hù)功能，確保了SiC MOSFET的高效可最運(yùn)行。而隨著電動汽車的電壓持續(xù)提高，以及SiC的進(jìn)一步普及，柵極驅(qū)動器也將得到更大的應(yīng)用空間。

-----End-----

免責(zé)聲明：我們尊重原創(chuàng)，也注重分享；文字、圖片版權(quán)歸原作者所有。轉(zhuǎn)載目的在于分享更多信息，不代表本號立場，如有侵犯您的權(quán)益請及時聯(lián)系，我們將第一時間刪除，謝謝！

審核編輯 黃宇