在電力電子應(yīng)用中，硅碳化物(SIC)半導(dǎo)體器件因其卓越的性能，正在逐漸取代傳統(tǒng)的硅基器件。SiC器件具有更高的擊穿電壓、更低的導(dǎo)通電阻以及優(yōu)異的熱性能，而這些特性使得SiC柵級驅(qū)動電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文將探討如何優(yōu)化SiC柵級驅(qū)動電路，以提升整體效率和可靠性，同時滿足新興技術(shù)的高性能需求。

　　隔離式柵極驅(qū)動器專為滿足 SiC(碳化硅)和 GaN(氮化鎵)等技術(shù)所需的最高開關(guān)速度和系統(tǒng)尺寸限制而設(shè)計(jì)，可提供對 IGBT 和 MOSFET 的可靠控制。架構(gòu)的演變可以滿足新的效率水平和時序性能的穩(wěn)定性，從而減少電壓失真。 ROHM Semiconductor 是基于碳化硅 (SiC) 技術(shù)的功率器件的參考點(diǎn)。

　　一、為什么使用SIC MOSFRT

　　我們的材料固有電阻較低，因此可以使用更小的芯片并最終實(shí)現(xiàn)更小的封裝。對于功率器件等復(fù)雜組件來說，這是一個關(guān)鍵因素，這些組件通常在橋配置中包含多個層。

　　此外，更小的芯片有助于更好地優(yōu)化內(nèi)部布局并減少寄生電容。 SiC 技術(shù)的第二個好處是更高的工作頻率。通過更好的材料動態(tài)和更高的開關(guān)速率可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率，從而可以減小無源元件(線圈電感器、濾波器和變壓器)的尺寸、紋波，在某些情況下還可以減小輸入和輸出電容。

　　第三個好處與更高的工作溫度有關(guān)，這是由于 SiC 材料的工作溫度更高(可達(dá) 200 度)及其更好的導(dǎo)電性。基于此，我們可以縮小散熱器的尺寸，或者在某些情況下簡化冷卻系統(tǒng)。有時甚至可以從液體冷卻系統(tǒng)遷移到強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)。

　　二、SiC MOSFET驅(qū)動電路的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

　　更高的感應(yīng)電壓

　　下圖展示了不同功率器件之間的比較：碳化硅(SiC) MOSFET、功率MOSFET和硅IGBT。

　　從輸出特性(參考不同制造商)我們可以觀察到電壓水平存在很大的變化。ROHM SiC MOSFET現(xiàn)已進(jìn)入第三代，其典型柵源電壓(V GS)為18V。我們現(xiàn)在有興趣檢查如果我們用不正確的電壓電壓驅(qū)動SiC MOSFET會發(fā)生什么：我們的電壓從18V開始，逐漸將電壓降低到16V、14V甚至低于這個電壓。這方面很重要，因?yàn)橛捎陔娫措妷鹤兓蚱渌蛩兀F(xiàn)場也可能發(fā)生電壓跌落。下圖所示的設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測試。

　　測量電路基于輸出功率為 5 kW 的升壓器配置。從 V GS 18V 開始，電壓逐步下降到 14V 以下。在 13.4V 時停止測試。測試結(jié)果如圖所示：正如預(yù)期的情況，R ds(隨著感應(yīng)電壓的降低而增加。在14V左右(指被測器件)時，我們可以觀察到溫度升高，必須在擊穿(由于熱失控)發(fā)生之前停止測試。

　　這種現(xiàn)象是引人注目的，因?yàn)镽 ds(on)溫度系數(shù)在12V至14V附近是其標(biāo)志。在18V時，溫度系數(shù)為正：這意味著溫度升高，R ds(on)會增加。 ，在低電感電壓下，溫度系數(shù)為負(fù)，且溫度升高，R ds(on)會降低。為避免熱失控某些，該類別的SiC MOSFET要求最小電感電壓為14V。

　　另一個大問題是如何正確驅(qū)動SiC MOSFET以及我們是否可以使用硅MOSFET來實(shí)現(xiàn)這個目的。例如，考慮圖5的電源原理圖。輸入電壓為700-1000 VDC，很難應(yīng)用硅MOSFET，無論如何，我們應(yīng)該使用兩個串聯(lián)的MOSFET來滿足這個應(yīng)用程序。MOSFET能夠承受的最大電壓很容易達(dá)到1350V或以上(1000V最大輸入電壓，加上反射電壓加上雜散音響產(chǎn)生的浪涌電壓)。

　　我們可以只使用一個碳化硅MOSFET(例如1700V型)，而不是使用兩個硅MOSFET，但如何驅(qū)動它呢?答案是我們需要專門的IC。 ROHM BD7682FJ是針對碳化硅MOSFET進(jìn)行市場上驅(qū)動優(yōu)化的IC。它具有18V感應(yīng)鉗位(避免在危險電壓以上工作)、14V欠壓鎖定(UVLO)、軟啟動(有助于減少共振脈沖)和全面的保護(hù)功能列表。

　　更快的開關(guān)速度

　　對于 IGBT 晶體管來說，SiC MOSFET 具有更好的動態(tài)特性，這意味著換向速度更快。SiC MOSFET 的換向時間為瞬時納秒，而 IGBT 的換向時間為數(shù)百納秒。為了實(shí)現(xiàn)這種情況快速換向，我們必須在更短的周期提供總諧振諧振。這意味著我們需要諧振驅(qū)動器具有更高的峰值電流。高多少?如圖6所示，至少需要與IGBT相同的電流，或者更多。

　　更快的換向也意味著更高的dV/dt。dV和dt都可以通過實(shí)驗(yàn)測量，如圖7所示的示例，其中比較了IGBT和Sic MOSFET的開關(guān)時間。如圖所示，需要共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)至少等于或大于每納秒100V的諧振驅(qū)動器。

　　較低級閾值

　　IGBT MOSFET的閾值約為+5V甚至更高，而對于碳化硅MOSFET，該技術(shù)允許具有較低的閾值，約為+1或+2V(圖8)。此外，由于閾值電壓的負(fù)溫度系數(shù)，閾值隨著溫度的升高而降低。因此，在電感驅(qū)動器設(shè)計(jì)中，我們需要注意這一方面，因?yàn)殡姼猩系脑肼暱赡芎芪ｋU。如何控制噪聲并消除寄生效應(yīng)?第一步與PCB設(shè)計(jì)相關(guān)。好的PCB設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少以下參數(shù)：

　　從OUT到電感再到電容器的走線阻抗;

　　從GND到源極再到電容器的走線阻抗;

　　高電流路徑的面積。在下圖中，路徑上的轉(zhuǎn)彎處以紅色顯示，而路徑上的轉(zhuǎn)彎處以綠色顯示。

　　第二步與米勒鉗位有關(guān)。讓我們考慮一下典型的半橋MOSFET感應(yīng)驅(qū)動器。當(dāng)打開半橋的上側(cè)MOSFET(M2：關(guān)→開)時，下開關(guān)兩端會發(fā)生電壓變化VDS。這會產(chǎn)生電流(I_Miller)，為下部MOSFET的寄生電容C充電(圖9)。該電流經(jīng)米勒電容、電感電阻器和C GS電容。V DS從低電平切換到高電平的越快。如果電感電阻器上的電壓降超過下部MOSFET的閾值電壓，則發(fā)生寄生導(dǎo)通(稱為“米勒效應(yīng)”)(M1導(dǎo)通)。

　　米勒效應(yīng)可以通過兩種方式避免。一個是用于保持MOSFET關(guān)閉負(fù)電源(VEE)。第二個是有源米勒鉗位如圖，10所示。該解決方案包括添加第三個內(nèi)部MOSFET(M3)，連接到驅(qū)動器電路中的最低電位。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，當(dāng)諧振電壓降至電平特定以下時，鉗位開關(guān)被激活，以確保MOSFET在任何接地反彈事件或dV DS /dt瞬態(tài)如圖10所示，有源米勒鉗位可以通過將感應(yīng)直接鉗位到達(dá)地或負(fù)電源來減少VGS的增加。

　　第三步與電感電壓振蕩有關(guān)。振蕩可以是正的，也可以是負(fù)的，從而產(chǎn)生噪聲。在這種情況下，一個經(jīng)過驗(yàn)證的解決方法是在柵格極和源極之間添加一個稀釋劑，以提高C GD /C GS份數(shù)。

　　由于電容器會影響開關(guān)時間，因此必須仔細(xì)評估該解決方案。基于上述所有考慮，Rohm 已經(jīng)推出了 SiC MOSFET 專用感應(yīng)驅(qū)動器。 BM61S40RFV 感應(yīng)驅(qū)動器具有 14.5V 欠壓鎖定 (ULVO)、22V 過壓保護(hù) ( OVP)、100V/ns 的 CMTI 和 4A 的輸出(在產(chǎn)品路線中已增加計(jì)劃的未來器件中將)。因此，SiC MOSFET 諧振驅(qū)動器已經(jīng)可用，并有可用于初始測試的文檔和評估板的支持。

　　總而言之，優(yōu)化SiC功率器件的柵級驅(qū)動電路，一切的基礎(chǔ)是布局優(yōu)化。這是第一步，墨爾本寄生元件給所施加的電壓或增加電流噪聲或尖峰。第二步是必須在所有工作條件下檢查電壓電平和諧振信號噪聲第三步是使用市場上已有的專用器件來驅(qū)動SiC MOSFET，如前面提到的那樣。

　　浮思特科技專注在新能源汽車、電力新能源、家用電器、觸控顯示，4大領(lǐng)域，為客戶提供IGBT模塊 和 SiC MOSFET 及 FRD 等功率器件選型采購服務(wù)，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。