【導讀】在高壓開(kāi)關(guān)電源應用中，相較傳統的硅MOSFET和IGBT，碳化硅（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SiC”）MOSFET有明顯的優(yōu)勢。使用硅MOSFET可以實(shí)現高頻（數百千赫茲）開(kāi)關(guān)，但它們不能用于非常高的電壓（>1000 V）。而IGBT雖然可以在高壓下使用，但其 "拖尾電流 "和緩慢的關(guān)斷使其僅限于低頻開(kāi)關(guān)應用。SiC MOSFET則兩全其美，可實(shí)現在高壓下的高頻開(kāi)關(guān)。然而，SiC MOSFET的獨特器件特性意味著(zhù)它們對柵極驅動(dòng)電路有特殊的要求。了解這些特性后，設計人員就可以選擇能夠提高器件可靠性和整體開(kāi)關(guān)性能的柵極驅動(dòng)器。在這篇文章中，我們討論了SiC MOSFET器件的特點(diǎn)以及它們對柵極驅動(dòng)電路的要求，然后介紹了一種能夠解決這些問(wèn)題和其它系統級考慮因素的IC方案。
一 SiC MOSFET特性
與硅器件相比，SiC MOSFET的跨導（增益）更低，內部柵極電阻更高，其柵極導通閾值可能低于2 V。因此，在關(guān)斷狀態(tài)下，必須向SiC MOSFET施加負柵源電壓（通常為-5 V）。SiC器件的柵源電壓通常要求在18 V ~ 20 V之間，以降低導通狀態(tài)下的導通電阻（RDS）。SiC MOSFET工作在低VGS下可能會(huì )導致熱應力或由于高RDS而可能導致故障。與低增益相關(guān)的其他影響會(huì )直接影響幾個(gè)重要的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性，在設計適當的柵極驅動(dòng)電路時(shí)必須考慮這些影響，包括導通電阻、柵極電荷（米勒平臺）和過(guò)電流（DESAT）保護。
二 導通電阻
在低VGS時(shí)，一些SiC器件的導通電阻與結溫特性之間的關(guān)系曲線(xiàn)看起來(lái)是拋物線(xiàn)*（由于內部器件特性的組合）。(*這適用于安森美M1和M2 SiC MOSFET。)當VGS = 14 V時(shí)，RDS似乎具有負溫度系數(NTC)特性，即電阻隨溫度升高而降低。SiC MOSFET的這一獨特特征直接歸因于其低增益，這意味著(zhù)如果兩個(gè)或更多的SiC MOSFET并聯(lián)工作在低VGS(負溫度系數)下，可能會(huì )導致災難性損壞。因此，只有當VGS足以確?？煽康恼郎囟认禂倒ぷ鲿r(shí)（即VGS>18V），才建議將SiC MOSFET并聯(lián)工作。
圖1：M1或M2 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關(guān)系曲線(xiàn)
新一代M3 SiC在所有VGS和所有溫度范圍都顯示正溫度系數
圖2：M3 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關(guān)系曲線(xiàn)
三 柵極電荷
向SiC MOSFET施加柵源電壓(VGS)時(shí)，電荷被傳輸以盡快使VGS從VGS(MIN)(VEE)和VGS(MAX)(VDD)升高。由于器件的內部電容是非線(xiàn)性的，因此可以使用VGS與柵極電荷(QG)的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)確定在給定的VGS下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET的這種 "米勒平臺 "發(fā)生在較高的VGS上，而且不像硅MOSFET那樣平坦。不平坦的米勒平臺意味著(zhù)在相應的電荷范圍內，VGS不是不變的，這也是由于器件低增益導致的。同樣值得注意的是，QG = 0 nC(關(guān)斷SiC MOSFET所需的電荷量) 不會(huì )發(fā)生在VGS = 0 V時(shí)，因此VGS必須為負 (本例中為-5 V)，以使柵極完全放電。
由于我們想測量導通或關(guān)斷SiC MOSFET所需的電荷量，我們的曲線(xiàn)只繪制了Qg的增量（或Qg的累積或Qg的變化）。這個(gè)數值也叫Qg。這可能會(huì )引起混淆。我們需要將這張圖解讀為需要的能量，而不純粹是存儲在柵源電容器中的能量。
圖3：SiC MOSFET柵源電壓與柵極電荷的關(guān)系
使用負柵極驅動(dòng)阻斷電壓主要是為了減少關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流。這也是由于跨導增益低造成的。使用負的阻斷電壓還可以減少開(kāi)關(guān)損耗，主要是在關(guān)斷期間的開(kāi)關(guān)損耗。
因此，幾乎對于所有的SiC MOSFET，都建議在關(guān)斷狀態(tài)下使用的最小VGS為-5 V < VGS(MIN) < -2 V，有些制造商規定電壓低至-10 V。
四 欠壓保護(DESAT)
DESAT保護是一種過(guò)電流檢測，起源于IGBT的驅動(dòng)電路。在導通時(shí)，如果IGBT不能再保持飽和狀態(tài)（"去飽和"），集電極-發(fā)射極電壓就會(huì )上升，同時(shí)全集電極電流流過(guò)。顯然，這對效率有不利影響，在最壞的情況下，可能導致IGBT的災難性故障。所謂的 "DESAT "功能監測IGBT的集電極-發(fā)射極電壓，并檢測何時(shí)出現潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET中的故障機制有些不同，但會(huì )有類(lèi)似的情況，在最大ID流過(guò)時(shí)VDS可能上升。如果導通期間的最大VGS太低，柵極驅動(dòng)導通沿太慢，或者存在短路或過(guò)載情況，就會(huì )出現這種不理想的條件。在滿(mǎn)載ID的情況下，RDS會(huì )增加，導致VDS意外上升。當SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時(shí)，VDS的反應非常迅速，而最大漏極電流繼續流過(guò)不斷增加的導通電阻。當VDS達到預定的閾值時(shí)，就可以激活保護。應特別注意避免感測VDS的延遲，因為延遲會(huì )掩蓋這種現象。因此，DESAT是柵極驅動(dòng)電路的一個(gè)重要的輔助性保護。
五 動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)
SiC MOSFET的導通和關(guān)斷狀態(tài)有四個(gè)不同的階段。所示的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)波形呈現的是理想工作條件的情況。然而，在實(shí)踐中，封裝寄生物，如引線(xiàn)和邦定線(xiàn)電感、寄生電容和PCB布局會(huì )極大地影響實(shí)際波形。合適的器件選擇、最佳的PCB布局，以及對設計好的柵極驅動(dòng)電路的重視，對于優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源應用中使用的SiC MOSFET的性能都是至關(guān)重要的。
圖4：SiC MOSFET導通序列的4個(gè)階段
六 柵極驅動(dòng)電路的設計要求
● 對于大多數SiC MOSFET，驅動(dòng)電壓在-5 V > VGS > 20 V之間時(shí)性能最佳。柵極驅動(dòng)電路應能承受VDD = 25 V和VEE = -10 V，以適用于最廣泛的可用器件
● VGS必須有快速的上升沿和下降沿(在幾ns范圍內)
● 在整個(gè)米勒平臺區域內，有能力提供高的峰值柵極灌電流和拉電流（數安培）
● 當VGS下降到米勒平臺以下時(shí)，需要提供一個(gè)非常低的阻抗保持或 "鉗位"，以實(shí)現高的灌電流能力。灌電流的額定值應超過(guò)僅對SiC MOSFET的輸入電容放電所需的電流。10A左右的峰值灌電流最小額定值應適用于高性能、半橋電源拓撲結構
● VDD欠壓鎖定(UVLO)水平，與開(kāi)關(guān)開(kāi)始前VGS>~16 V的要求相匹配
● VEE UVLO監測能力確保負電壓軌在可接受的范圍內
● 能夠檢測、報告故障和提供保護的去飽和功能，使SiC MOSFET長(cháng)期可靠運行
● 支持高速開(kāi)關(guān)的低寄生電感
● 小尺寸驅動(dòng)器封裝，布局盡可能靠近SiC MOSFET
七 柵極驅動(dòng)器方案
安森美的NCP51705是一款SiC柵極驅動(dòng)器IC，提供高的設計靈活度和集成度，幾乎與任何SiC MOSFET兼容。NCP51705集成許多通用柵極驅動(dòng)器IC所共有的功能，包括：
● VDD正電源電壓最高28V
● 高峰值輸出電流：6 A拉電流和10 A灌電流
● 內置5 V基準可用于偏置5 V、20 mA以下的低功耗負載（數字隔離器、光耦合器、微控制器等）
● 單獨的信號和電源接地連接
● 單獨的源和灌輸出引腳
● 內置熱關(guān)斷保護
● 單獨的非反相和反相TTL、PWM輸入
圖5：NCP51705 SiC柵極驅動(dòng)器框圖
然而，該IC集成幾個(gè)獨特的功能，能夠以最少的外部元器件設計出可靠的SiC MOSFET柵極驅動(dòng)電路。這些功能包括：
● 欠壓保護(DESAT)
● 電荷泵 (用于設置負電壓軌)
● 可編程的欠壓鎖定(UVLO)
● 數字同步和故障報告
● 24引腳，4毫米×4毫米，熱增強型MLP封裝，便于板級集成
八 總結
在選擇合適的柵極驅動(dòng)器IC時(shí)，SiC MOSFET的低增益給設計人員帶來(lái)了難題。通用的低邊柵極驅動(dòng)器不能高效和可靠地驅動(dòng)SiC MOSFET。NCP51705集成一系列功能，為設計人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、高性能、高速的解決方案，高效、可靠地驅動(dòng)SiC MOSFET。
作者：安森美業(yè)務(wù)拓展工程師Didier Balocco
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