為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅動晶片,需要考慮幾個方面?

為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅動晶片,需要考慮幾個方面?

李倩 發表於 2018-06-15 10:09:38

近年來，基於寬禁帶材料的器件技術的不斷發展，碳化矽器件的實際工程應用，受到了越來越廣泛的關注。相較傳統的矽基器件，碳化矽MOSFET具有較小的導通電阻以及很快的開關速度，與矽IGBT相比，導通損耗和開關損耗均有明顯減小。SiC MOSFET器件的使用，給實際系統效率的進一步提高，以及系統體積的進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用場合，SiC MOSFET的工程使用已成為炙手可熱的話題。

目前，關於SiC MOSFET的優勢特性以及針對此種新型材料器件的可靠性研究，已相當廣泛。然而，作為控制開關功率器件開通關斷的重要組成部分，驅動設計也成為是否可以充分發揮SiC MOSFET特性優勢的關鍵環節。

由於SiC產品與傳統矽IGBT或者MOSFET參數特性上有所不同，並且其通常工作在高頻應用環境中，為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅動晶片，需要考慮如下幾個方面：

1.  驅動電平與驅動電流的要求

首先，由於SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關場合，其面對的由於寄生參數所帶來的影響更加顯著。由於SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實際系統中更容易因電路串擾發生誤導通，因此通常建議使用柵極負壓關斷。不同SiC MOSFET器件的柵極開啟電壓參數列舉如圖1所示。

圖1 不同SiC MOSFET 柵極開啟電壓參數比較

為了提高SiC MOSFET在實際工程實際中的易用性，各半導體廠家在SiC MOSFET設計之初，都會儘量調整參數的折中，使得SiC MOSFET的驅動特性接近用戶所熟悉的傳統矽IGBT。然而，寬禁帶半導體器件有其特殊性，以英飛凌CoolSiC™ 系列為例，從規格書與應用指南可知，結合開關頻率與壽命計算的綜合考量，在某些應用中可以使用15V柵極開通電壓，而柵極關斷電壓最低為-5V。當我們將目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，會發現各家推薦的柵極工作電壓也有所差異。因此，理想的適用於SiC MOSFET的驅動晶片應該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開通和關斷電壓需求，至少需要驅動晶片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達到25v。

雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅動功率相對於傳統IGBT顯著較小，但是驅動電流的大小與開關器件工作速度密切相關，為適應高頻應用快速開通關斷的需求，需要為SiC MOS選擇具有較大峰值輸出電流的驅動晶片，並且如果輸出脈衝同時兼具足夠快的上升和下降速度，則驅動效果更加理想，這就意味著要求驅動晶片的上升與下降時間參數都比較小。

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2．  滿足較短死區時間設定的要求

在橋式電路結構中，死區時間的設定是影響系統可靠運行的一個關鍵因素。SiC MOSFET器件的開關速度較傳統IGBT有了大幅提高，許多實際工程使用都希望能因此進一步提高器件的工作頻率，從而提高系統功率密度。這也意味著系統設計中需要較小的死區時間設定與之匹配，同時，選擇較短的死區時間，也可以保證逆變系統具有更高的輸出電壓質量。

死區時間的計算，除了要考慮開關器件本身的開通與關斷時間，尤其是小電流下的開關時間之外，驅動晶片的傳輸延時也需要考量。尤其對於本身開關速度較快的開關器件，晶片的延時在死區設定的考量中所佔的比重更大。另外，在隔離型驅動設計中，通常採用的是一拖一的驅動方式，因此，晶片與晶片之間的參數匹配差異，也需要在死區設定時一併考量。要滿足較小死區時間的要求，選擇驅動晶片時，需要相應的參考晶片本身傳輸延時時間參數，以及晶片對晶片的匹配延時。

3．晶片所帶的保護功能

1)  短路保護

SiC MOSFET與傳統矽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秒的短路耐受能力。可以利用器件本身的這一特性，在驅動設計中考慮短路保護功能，提高系統可靠性。

不同型號SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護響應時間越短越好。借鑑IGBT退飽和檢測方法，根據開關管輸出特性，SiC MOSFET漏源極電壓大小可反映電流變化。與矽IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區及飽和區沒有明顯過渡，發生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護電路需要更快的響應速度來進行保護。

針對SiC MOSFET的短路保護需求，需要選擇檢測速度快，響應時間短的驅動晶片進行保護電路設計。

此外，根據IGBT的設計經驗，每次開通時，需求設定一段消隱時間來避免由於開通前期的Vce電壓從高位下降所導致的DSAET誤觸發。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護電路設計提出更嚴苛的挑戰，需要驅動晶片的DESAT相關參數具有更高的精度，以實現有效的保護設計。同時，也需要更優化的驅動電路的PCB設計，保證更小的環路寄生電感的影響。

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，它對驅動電路寄生參數的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發，因此常推薦使用負壓進行關斷。但同時，由於SiC MOSFET所能承受的柵極負壓範圍較小，過大的負向電壓尖峰可能擊穿開關管，某些廠家提出推薦較高的負壓關斷，甚至0v關斷。此種情況下，為保證器件在關斷期間不因米勒效應發生誤觸發，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅動晶片進行設計。

4.  晶片抗幹擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅動晶片，處於高頻應用環境下，這要求晶片本身具有較高的抗幹擾度。常用於評估驅動晶片抗擾度的參數為CMTI。現行標準中，對磁隔離型驅動晶片抗擾性地測量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實際SiC MOSFE開通和關斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數可以作為衡量用於驅動SiC MOSFE的驅動晶片抗擾度的技術參考。

綜上所述，為了在實際應用中發揮SiC MOSFET的高頻特性，需要選擇具有合適的驅動電壓和驅動電流，滿足短死區時間設計的較小傳輸延時以及晶片之間匹配延時的驅動晶片。同時，有效的保護功能與抗幹擾性，可以滿足更高的系統可靠性要求。表1將英飛凌磁隔離驅動晶片EiceDRIVER™系列的相關參數進行了比較，全系列產品為用戶提供了各種個性化選擇。

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