碳化硅 (SiC) MOSFET 在功率半導體行業(yè)取得了重大進展，這要歸功于與硅基開關相比的一系列優(yōu)勢。這些包括更快的開關、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，從而產生更小、更輕的設計。
這些屬性導致了一系列汽車和工業(yè)應用。但是像 SiC 這樣的寬帶隙器件也帶來了設計挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI)、過熱和過壓條件，這些可以通過選擇正確的柵極驅動器來解決。
由于柵極驅動器用于驅動功率器件，因此它們是功率難題的關鍵部分。使用 SiC 確保優(yōu)化設計的一種方法是仔細考慮柵極驅動器的選擇。同時，它需要仔細研究設計的關鍵要求——效率、密度，當然還有成本——因為根據(jù)應用要求，總是需要權衡取舍。
盡管 SiC 具有固有的優(yōu)勢，但成本仍然是采用的障礙。根據(jù)功率 IC 制造商的說法，當在零件比較的基礎上比較 SiC 與硅時，除非設計人員考慮總解決方案成本，否則它們將更加昂貴且難以證明其合理性。
讓我們首先討論 SiC 與硅 MOSFET 或 IGBT 的應用、優(yōu)勢和權衡。SiC FET 提供更低的導通電阻（由于更高的擊穿電壓）、更高的飽和速度以實現(xiàn)更快的開關，并且?guī)赌芰吭黾恿巳?。結果是更高的結溫以改善冷卻。同時，熱導率提高三倍轉化為更高的功率密度。
業(yè)界一致認為低壓 Si MOSFET 和氮化鎵在 <700-V 范圍內工作。在此之上是 SiC 發(fā)揮作用的地方，在較低功率范圍內有一些重疊。
SiC 主要取代 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型應用，在 11 kW 左右更是如此。Microchip Technology 的產品線總監(jiān) Rob Weber 表示，這是 SiC 的最佳選擇，它提供高壓操作、低開關損耗和更高開關頻率的功率級。
Weber 說，這些屬性允許使用更小的濾波器和無源器件，同時減少冷卻需求?！拔覀冋務摰氖桥c IGBT 相比的系統(tǒng)級優(yōu)勢，這最終是尺寸、成本和重量的減小。
“例如，在 30 kHz 開關頻率下，我們可以將損耗降低多達 70%，這是碳化硅在擊穿場、電子飽和速度、帶隙能量和導熱性，”他補充道。
一個關鍵的工程基準是效率，它導致了改進的水平。Weber 表示，另一個 SiC 成本效益指標正在出現(xiàn)：相對于 IGBT 的系統(tǒng)級優(yōu)勢。
“使用碳化硅，我們可以在更高的開關頻率下工作，從而使我們能夠擁有圍繞直接功率級的更小的外部組件，例如濾波器，它們是大型的重磁設備。” 他解釋說，它們還“在更高的溫度下運行或由于較低的開關損耗而在更低的溫度下運行，用風冷系統(tǒng)代替液冷系統(tǒng)并縮小散熱器的尺寸”。
Weber 斷言，組件尺寸和重量的減小也意味著成本的降低，這意味著 SiC 提供的不僅僅是更高的效率。
然而，在零件之間的價格比較中，SiC 仍然比傳統(tǒng)的硅基 IGBT 更昂貴。“每個制造商的 SiC 模塊的成本都會更高，但是當我們查看整個系統(tǒng)時，SiC 系統(tǒng)的成本會更低，”Weber 說。
在另一個示例中，Microchip 客戶在使用 SiC MOSFET 時能夠將系統(tǒng)成本降低 6%。
一旦設計人員轉向 SiC，他們還需要考慮權衡取舍。功率半導體制造商同意必須克服噪聲、EMI 和過壓等“次要影響”。
“當你更快地切換這些設備時，你可能會產生更多的噪聲，這將轉化為 EMI，”Weber 說。“此外，雖然 SiC 在更高的電壓下表現(xiàn)出色，但它在短路條件和 [當] 電壓變化時的魯棒性也遠低于 IGBT。你會遇到過壓情況，這導致一些設計人員使用更高額定電壓的 SiC 器件，以便他們可以更好地控制過壓[和過熱]?！?br /> 這是柵極驅動器的選擇發(fā)揮關鍵作用的地方。SiC 對電源電壓、快速短路保護和高dv/dt 抗擾度等特性提出了獨特的要求。
選擇柵極驅動器
在將 SiC 開關與基于硅的器件進行比較時，為 SiC 開關選擇正確的柵極驅動器需要一種新的思維方式。需要關注的關鍵領域包括拓撲、電壓、偏置以及監(jiān)控和保護功能。
以前，在選擇柵極驅動器時使用順序方法是可以接受的，Weber 說?！霸谶x擇 SiC 之前，你會首先選擇 IGBT，然后是柵極驅動器，然后是母線和電容器，”他說。“完全變了。我們必須查看我們正在構建的整個整體解決方案以及每一步的權衡，而不是使用 IGBT 的這種順序方法。這對很多客戶來說都是一種教育?！?
此外，還有多種 SiC 柵極驅動器，它們在功能、集成度和價格方面各不相同，適用于簡單到更復雜的設計。
德州儀器 (TI) 高壓電源系統(tǒng)工程負責人 Lazlo Balogh 表示，拓撲、功率水平、保護和功能安全要求以及使用中的 SiC 器件決定了應用所需的驅動器類型
例如，非隔離驅動器可能需要更多額外電路，Balogh 說。
還有一些隔離驅動程序可以處理負偏差和隔離問題，但仍需要某種類型的系統(tǒng)監(jiān)控。他補充說，這對于提供進一步集成的設備來說是正確的，例如用于汽車應用的監(jiān)控和保護電路以及功能安全。
“正確部署 SiC 的清單是查看拓撲結構和必須驅動的設備類型，然后選擇柵極驅動器，優(yōu)化偏置，確定需要什么樣的保護，然后優(yōu)化布局，”巴洛格說。
阻礙采用 SiC 的障礙之一是需要以更高的開關速度進行特殊封裝以消除源電感。
Balogh 說，這通常是通過開爾文源連接完成的?！霸措姼锌赡芎茉愀?，會導致大量振鈴和額外的功率損耗，因為它會減慢開關動作?！?
“這就是版圖工程師成為我們最好朋友的地方，因為我們確實必須查看版圖以減輕振鈴并對其進行優(yōu)化以實現(xiàn)高速切換，”Balogh 說。他補充說，這包括最大限度地減少走線電感、分離柵極和電源環(huán)路，以及通過選擇正確的組件適當?shù)乩@過開關電流路徑和寬頻帶。
Balogh 說，真正關鍵的是將驅動器連接到開關。他說，設計人員必須將驅動器的接地直接連接到電源開關的源極，因為雜散電感會增加開關損耗。
供應商同意可以使用標準驅動程序來控制 SiC 器件。盡管如此，設計人員必須確定權衡的幅度，這通常需要額外的電路或更大的外部設備。例如，在使用標準驅動器時減少振鈴和過壓的一種方法是增加柵極電阻器的尺寸。
TI 的 Balogh 表示，其他考慮因素包括保護功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開關和芯片熱點，所有這些都可以決定功率損耗、EMI 和尺寸。
此外，額外的電路通常比專用的 SiC 占用更多的空間。因此，高端設計通常會選擇專用的 SiC 內核驅動器，這會考慮到更快的開關、過壓條件以及與噪聲和 EMI 相關的問題，他說。
“你總是可以使用標準的柵極驅動器，但你必須用額外的電路來補充它，這通常是一種權衡，”Balogh 說。
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