【導讀】硅基MOSFET和IGBT過(guò)去一直在電力電子應用行業(yè)占據主導地位，這些應用包括不間斷電源、工業(yè)電機驅動(dòng)、泵以及電動(dòng)汽車(chē)（EV）等。然而，市場(chǎng)對更小型化產(chǎn)品的需求，以及設計人員面臨的提高電源能效的壓力，使得碳化硅（SiC）MOSFET成為這些應用中受歡迎的替代品。
硅基MOSFET和IGBT過(guò)去一直在電力電子應用行業(yè)占據主導地位，這些應用包括不間斷電源、工業(yè)電機驅動(dòng)、泵以及電動(dòng)汽車(chē)（EV）等。然而，市場(chǎng)對更小型化產(chǎn)品的需求，以及設計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(lài)于柵極驅動(dòng)電路的設計，該電路負責開(kāi)啟和關(guān)閉器件。然而，SiC的特定特性要求對MOSFET器件和柵極驅動(dòng)電路進(jìn)行仔細選擇，以確保安全地滿(mǎn)足應用需求，并盡可能提高效率。在本文中，我們將討論為SiC MOSFET選擇柵極驅動(dòng)器時(shí)應考慮的標準。
電力電子設計中的效率
電力電子系統可處理高達數十兆瓦的大量電能，在當今市場(chǎng)上，電力電子應用設計越來(lái)越受到效率需求以及法規要求的推動(dòng)。電流密度和效率是實(shí)現市場(chǎng)所需的更小外形尺寸的關(guān)鍵因素，因為更高的效率可降低功耗，從而減少對印刷電路板和外殼冷卻解決方案的需求。
隨著(zhù)排放法規的日益嚴格，效率問(wèn)題也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。例如，MOSFET是電力驅動(dòng)系統（PDS）的關(guān)鍵元件，這些系統驅動(dòng)著(zhù)電動(dòng)機的運轉。據歐盟委員會(huì )估計，僅在歐洲就有約80億臺電動(dòng)機在使用，其消耗的電能幾乎占該地區電能的一半1。因此，毋庸置疑，這些設備的電氣效率會(huì )受到越來(lái)越嚴格的監管要求。
SiC MOSFET只要使用得當，就能在功率密度和效率方面提供顯著(zhù)優(yōu)勢。更緊湊的SiC元件具有更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以減小整體系統尺寸，在電動(dòng)汽車(chē)等對空間和重量敏感的應用中具有明顯優(yōu)勢。不過(guò)，為了實(shí)現SiC MOSFET的潛在優(yōu)勢，必須通過(guò)精心選擇合適的柵極驅動(dòng)器，使器件適合應用的具體要求。
SiC MOSFET 特性
系統尺寸和電氣效率是許多現代電力電子系統的關(guān)鍵要求，而碳化硅已成為一種流行的半導體技術(shù)。作為一種寬禁帶材料，SiC與硅相比具有眾多優(yōu)勢，包括高熱導率、低熱膨脹系數、高最大電流密度和卓越的導電性。此外，SiC的低開(kāi)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、高溫和高熱導率的應用中。
碳化硅器件的電壓閾值高達10千伏，而硅器件的電壓閾值僅為900伏，臨界擊穿場(chǎng)強也更高，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，SiC器件能為設計人員帶來(lái)效率和開(kāi)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)系統的尺寸。這些優(yōu)勢對于電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通或能源基礎設施等對空間和重量敏感的應用極為有用。隨著(zhù)碳化硅技術(shù)不斷進(jìn)步，可承受的電壓也越來(lái)越高，器件的額定電壓可達1700V及以上，它相對于傳統硅材料的優(yōu)勢將更加明顯。
SiC MOSFET柵極驅動(dòng)器設計考慮因素
柵極驅動(dòng)器的設計可確保電源應用中使用的MOSFET安全運行。選擇柵極驅動(dòng)器時(shí)需要考慮的因素包括：
?米勒電容(CDG) 與寄生導通(PTO)
SiC MOSFET容易產(chǎn)生寄生導通(PTO)，這是由于米勒電容CDG在開(kāi)關(guān)過(guò)程中將漏極電壓耦合到柵極。當漏極電壓上升時(shí)，該耦合電壓可能會(huì )短暫超過(guò)柵極閾值電壓，使MOSFET導通。在同步降壓轉換器等電路中，MOSFET通常成對使用，其中有一個(gè)高壓側和一個(gè)低壓側MOSFET，而PTO會(huì )導致這些電路中的“直通”（shoot-through）導通。
當高壓側和低壓側MOSFET同時(shí)導通時(shí)，就會(huì )發(fā)生直通導通，導致高壓通過(guò)兩個(gè)MOSFET短路到GND。這種直通的嚴重程度取決于MOSFET的工作條件和柵極電路的設計，關(guān)鍵因素包括總線(xiàn)電壓、開(kāi)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(guò)對器件的關(guān)斷電壓進(jìn)行負偏置來(lái)避免這種情況。
?柵極驅動(dòng)器電壓范圍
MOSFET的導通和關(guān)斷是通過(guò)向其柵極施加電壓實(shí)現的，電壓由專(zhuān)用的柵極驅動(dòng)器提供，如圖1所示。柵極驅動(dòng)器負責提供拉電流，使MOSFET的柵極充電至最終導通電壓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：柵極驅動(dòng)器在MOSFET開(kāi)/關(guān)操作中的驅動(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。
柵極驅動(dòng)的正電壓應足夠高，以確保MOSFET能夠完全導通，同時(shí)又不超過(guò)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器件采用負偏置電壓，以消除寄生導通的風(fēng)險。在關(guān)斷過(guò)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)，從而意外導通器件。
以這種方式負偏置柵極電壓還能降低MOSFET的EOFF損耗。如圖2所示，在驅動(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：負柵極偏置（來(lái)源：AND90204/D）
RDS(ON)是當器件通過(guò)施加到柵極上的特定柵極到源極電壓（VGS）導通時(shí)，MOSFET的漏極和源極之間的電阻。隨著(zhù)VGS的增加，RDS(ON)通常會(huì )減小，一般來(lái)說(shuō)，RDS(ON)越小越好，因為MOSFET被用作開(kāi)關(guān)?？倴艠O電荷QG(TOT)是使MOSFET完全導通所需的電荷，單位為庫侖，通常與RDS(ON)成反比。QG(TOT)電荷由柵極驅動(dòng)器提供，因此驅動(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(kāi)關(guān)損耗，設計人員需要注意權衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損耗是其導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗之和。導通損耗的計算公式為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)值要求柵極驅動(dòng)器具有較高的拉電流和灌電流。換句話(huà)說(shuō)，當設計人員選擇RDS(ON)值較低的SiC MOSFET來(lái)減少大功率應用中的導通損耗時(shí)，柵極驅動(dòng)器的拉電流（導通）和灌（關(guān)斷）電流要求也會(huì )相應增加。
SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗更為復雜，因為它們受到QG（TOT）、反向恢復電荷(QRR)、輸入電容(CISS)、柵極電阻(RG)、EON損耗和EOFF損耗等器件參數的影響。開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)提高柵極電流的開(kāi)關(guān)速度來(lái)降低，但與此同時(shí)，較快的開(kāi)關(guān)速度可能會(huì )帶來(lái)不必要的電磁干擾（EMI），特別是在半橋拓撲結構中，在預期的開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)還可能觸發(fā)PTO。如上所述，還可以通過(guò)負偏置柵極電壓來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。
柵極驅動(dòng)器示例- 安森美 NCP(V)51752
因此，柵極驅動(dòng)器的設計對于確保電力電子應用中的SiC MOSFET按預期工作至關(guān)重要。幸運的是，市場(chǎng)上有大量由安森美等制造商提供的專(zhuān)用柵極驅動(dòng)IC，這些IC讓設計者無(wú)需把精力放在驅動(dòng)電路設計的細節中，同時(shí)節省了物料清單（BoM）成本和PCB空間。
例如，NCP(V)51752系列隔離式SiC柵極驅動(dòng)器專(zhuān)為功率MOSFET和SiC MOSFET器件的快速開(kāi)關(guān)而設計，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 )新的嵌入式負偏壓軌機制，無(wú)需系統為驅動(dòng)器提供負偏壓軌，從而節省了設計工作和系統成本。
結論
SiC MOSFET具有增強的導電性、低開(kāi)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動(dòng)器等電力電子應用的設計人員帶來(lái)了眾多優(yōu)勢。柵極驅動(dòng)器電路的設計是確保SiC MOSFET發(fā)揮預期功能、優(yōu)化損耗并防止PTO情況造成損壞的關(guān)鍵。因此，謹慎選擇MOSFET和柵極驅動(dòng)器對最終應用的性能至關(guān)重要。
[1]歐盟委員會(huì ) - 能源標簽和生態(tài)設計, 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(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）
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