如何為 SiC MOSFET 選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器

碳化硅 (SiC) MOSFET 在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得了重大進(jìn)展，這要?dú)w功于與硅基開(kāi)關(guān)相比的一系列優(yōu)勢(shì)。這些包括更快的開(kāi)關(guān)、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，從而產(chǎn)生更小、更輕的設(shè)計(jì)。

這些屬性導(dǎo)致了一系列汽車和工業(yè)應(yīng)用。但是像 SiC 這樣的寬帶隙器件也帶來(lái)了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI)、過(guò)熱和過(guò)壓條件，這些可以通過(guò)選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決。

由于柵極驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)功率器件，因此它們是功率難題的關(guān)鍵部分。使用 SiC 確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種方法是仔細(xì)考慮柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇。同時(shí)，它需要仔細(xì)研究設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求——效率、密度，當(dāng)然還有成本——因?yàn)楦鶕?jù)應(yīng)用要求，總是需要權(quán)衡取舍。

盡管 SiC 具有固有的優(yōu)勢(shì)，但成本仍然是采用的障礙。根據(jù)功率 IC 制造商的說(shuō)法，當(dāng)在零件比較的基礎(chǔ)上比較 SiC 與硅時(shí)，除非設(shè)計(jì)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(yīng)用、優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡。SiC FET 提供更低的導(dǎo)通電阻（由于更高的擊穿電壓）、更高的飽和速度以實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)，并且?guī)赌芰吭黾恿巳?。結(jié)果是更高的結(jié)溫以改善冷卻。同時(shí)，熱導(dǎo)率提高三倍轉(zhuǎn)化為更高的功率密度。

業(yè)界一致認(rèn)為低壓 Si MOSFET 和氮化鎵在 <700-V 范圍內(nèi)工作。在此之上是 SiC 發(fā)揮作用的地方，在較低功率范圍內(nèi)有一些重疊。

SiC 主要取代 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型應(yīng)用，在 11 kW 左右更是如此。Microchip Technology 的產(chǎn)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(kāi)關(guān)損耗和更高開(kāi)關(guān)頻率的功率級(jí)。

Weber 說(shuō)，這些屬性允許使用更小的濾波器和無(wú)源器件，同時(shí)減少冷卻需求?！拔覀冋?wù)摰氖桥c IGBT 相比的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，這最終是尺寸、成本和重量的減小。

“例如，在 30 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下，我們可以將損耗降低多達(dá) 70%，這是碳化硅在擊穿場(chǎng)、電子飽和速度、帶隙能量和導(dǎo)熱性，”他補(bǔ)充道。

一個(gè)關(guān)鍵的工程基準(zhǔn)是效率，它導(dǎo)致了改進(jìn)的水平。Weber 表示，另一個(gè) SiC 成本效益指標(biāo)正在出現(xiàn)：相對(duì)于 IGBT 的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

“使用碳化硅，我們可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，從而使我們能夠擁有圍繞直接功率級(jí)的更小的外部組件，例如濾波器，它們是大型的重磁設(shè)備。” 他解釋說(shuō)，它們還“在更高的溫度下運(yùn)行或由于較低的開(kāi)關(guān)損耗而在更低的溫度下運(yùn)行，用風(fēng)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(jià)格比較中，SiC 仍然比傳統(tǒng)的硅基 IGBT 更昂貴?！懊總€(gè)制造商的 SiC 模塊的成本都會(huì)更高，但是當(dāng)我們查看整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，SiC 系統(tǒng)的成本會(huì)更低，”Weber 說(shuō)。

在另一個(gè)示例中，Microchip 客戶在使用 SiC MOSFET 時(shí)能夠?qū)⑾到y(tǒng)成本降低 6%。
一旦設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向 SiC，他們還需要考慮權(quán)衡取舍。功率半導(dǎo)體制造商同意必須克服噪聲、EMI 和過(guò)壓等“次要影響”。

“當(dāng)你更快地切換這些設(shè)備時(shí)，你可能會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲，這將轉(zhuǎn)化為 EMI，”Weber 說(shuō)?！按送?，雖然 SiC 在更高的電壓下表現(xiàn)出色，但它在短路條件和 [當(dāng)] 電壓變化時(shí)的魯棒性也遠(yuǎn)低于 IGBT。你會(huì)遇到過(guò)壓情況，這導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)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(guò)壓[和過(guò)熱]?！?br /> 這是柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。SiC 對(duì)電源電壓、快速短路保護(hù)和高dv/dt 抗擾度等特性提出了獨(dú)特的要求。

選擇柵極驅(qū)動(dòng)器

在將 SiC 開(kāi)關(guān)與基于硅的器件進(jìn)行比較時(shí)，為 SiC 開(kāi)關(guān)選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器需要一種新的思維方式。需要關(guān)注的關(guān)鍵領(lǐng)域包括拓?fù)?、電壓、偏置以及監(jiān)控和保護(hù)功能。

以前，在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)使用順序方法是可以接受的，Weber 說(shuō)?！霸谶x擇 SiC 之前，你會(huì)首先選擇 IGBT，然后是柵極驅(qū)動(dòng)器，然后是母線和電容器，”他說(shuō)?！巴耆兞?。我們必須查看我們正在構(gòu)建的整個(gè)整體解決方案以及每一步的權(quán)衡，而不是使用 IGBT 的這種順序方法。這對(duì)很多客戶來(lái)說(shuō)都是一種教育。”

此外，還有多種 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，它們?cè)诠δ?、集成度和價(jià)格方面各不相同，適用于簡(jiǎn)單到更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

德州儀器 (TI) 高壓電源系統(tǒng)工程負(fù)責(zé)人 Lazlo Balogh 表示，拓?fù)?、功率水平、保護(hù)和功能安全要求以及使用中的 SiC 器件決定了應(yīng)用所需的驅(qū)動(dòng)器類型

例如，非隔離驅(qū)動(dòng)器可能需要更多額外電路，Balogh 說(shuō)。

還有一些隔離驅(qū)動(dòng)程序可以處理負(fù)偏差和隔離問(wèn)題，但仍需要某種類型的系統(tǒng)監(jiān)控。他補(bǔ)充說(shuō)，這對(duì)于提供進(jìn)一步集成的設(shè)備來(lái)說(shuō)是正確的，例如用于汽車應(yīng)用的監(jiān)控和保護(hù)電路以及功能安全。

“正確部署 SiC 的清單是查看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和必須驅(qū)動(dòng)的設(shè)備類型，然后選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，優(yōu)化偏置，確定需要什么樣的保護(hù)，然后優(yōu)化布局，”巴洛格說(shuō)。
阻礙采用 SiC 的障礙之一是需要以更高的開(kāi)關(guān)速度進(jìn)行特殊封裝以消除源電感。

Balogh 說(shuō)，這通常是通過(guò)開(kāi)爾文源連接完成的?！霸措姼锌赡芎茉愀猓瑫?huì)導(dǎo)致大量振鈴和額外的功率損耗，因?yàn)樗鼤?huì)減慢開(kāi)關(guān)動(dòng)作?！?

“這就是版圖工程師成為我們最好朋友的地方，因?yàn)槲覀?span>確實(shí)必須查看版圖以減輕振鈴并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高速切換，”Balogh 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，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(guò)選擇正確的組件適當(dāng)?shù)乩@過(guò)開(kāi)關(guān)電流路徑和寬頻帶。

Balogh 說(shuō)，真正關(guān)鍵的是將驅(qū)動(dòng)器連接到開(kāi)關(guān)。他說(shuō)，設(shè)計(jì)人員必須將驅(qū)動(dòng)器的接地直接連接到電源開(kāi)關(guān)的源極，因?yàn)殡s散電感會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。

供應(yīng)商同意可以使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制 SiC 器件。盡管如此，設(shè)計(jì)人員必須確定權(quán)衡的幅度，這通常需要額外的電路或更大的外部設(shè)備。例如，在使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)減少振鈴和過(guò)壓的一種方法是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

TI 的 Balogh 表示，其他考慮因素包括保護(hù)功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開(kāi)關(guān)和芯片熱點(diǎn)，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(shè)計(jì)通常會(huì)選擇專用的 SiC 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)器，這會(huì)考慮到更快的開(kāi)關(guān)、過(guò)壓條件以及與噪聲和 EMI 相關(guān)的問(wèn)題，他說(shuō)。

“你總是可以使用標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器，但你必須用額外的電路來(lái)補(bǔ)充它，這通常是一種權(quán)衡，”Balogh 說(shuō)。