優(yōu)化SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)的方法

在高壓開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中,相較傳統(tǒng)的硅?MOSFET?和?IGBT,碳化硅（以下簡(jiǎn)稱“SiC”）MOSFET?有明 顯的優(yōu)勢(shì)。使用硅?MOSFET?可以實(shí)現(xiàn)高頻（數(shù)百千赫 茲）開(kāi)關(guān),但它們不能用于非常高的電壓（>1 000 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(yīng)用。SiC MOSFET?則兩全其美,可實(shí)現(xiàn)在高壓下的高頻開(kāi)關(guān)。然而,SiC MOSFET?的獨(dú)特器件特性意味著它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路有 特殊的要求。了解這些特性后,設(shè)計(jì)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(qū)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(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求,然后介紹了一種能夠解決 這些問(wèn)題和其他系統(tǒng)級(jí)考慮因素的?IC?方案。

SiC MOSFET特性 ? ?

與硅器件相比,SiC MOSFET?的跨導(dǎo)（增益）更低, 內(nèi)部柵極電阻更高,其柵極導(dǎo)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(fù)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,以降低導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻（RDS）。SiC MOSFET?工作在低?VGS?下可能會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力或由 于高?RDS?而可能導(dǎo)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(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臇?極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮這些影響,包括導(dǎo)通電阻、柵極 電荷（米勒平臺(tái)）和過(guò)電流（DESAT）保護(hù)。?

導(dǎo)通電阻?

在低?VGS?時(shí),一些?SiC?器件的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫特性 之間的關(guān)系曲線看起來(lái)是拋物線 *（由于內(nèi)部器件特性的 組合）。(* 這適用于安森美?M1?和?M2 SiC MOSFET。) 當(dāng)?VGS?=?14 V?時(shí),RDS?似乎具有負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 特 性,即電阻隨溫度升高而降低。SiC MOSFET?的這一獨(dú) 特特征直接歸因于其低增益,這意味著如果兩個(gè)或更多 的?SiC MOSFET?并聯(lián)工作在低?VGS( 負(fù)溫度系數(shù) ) 下, 可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。因此,只有當(dāng)?VGS?足以確保 可靠的正溫度系數(shù)工作時(shí)（即?VGS?>?18 V）,才建議將?SiC MOSFET?并聯(lián)工作。

新一代?M3 SiC?在所有?VGS?和所有溫度范圍都顯示 正溫度系數(shù)

柵極電荷?

向?SiC MOSFET?施加?xùn)旁措妷? (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(nèi)部電容是非線性的,因此 可以使用?VGS?與柵極電荷（QG）的關(guān)系曲線來(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(tái)“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(tái)意味著在相應(yīng) 的電荷范圍內(nèi),VGS?不是不變的,這也是由于器件低增益導(dǎo)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(fù)（本例中為 -5 V）,以使柵極完全放電。?

由于我們想測(cè)量導(dǎo)通或關(guān)斷?SiC MOSFET?所需的電 荷量,我們的曲線只繪制了?Qg?的增量（或?Qg?的累積 或?Qg?的變化）。這個(gè)數(shù)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(chǔ) 在柵源電容器中的能量。

使用負(fù)柵極驅(qū)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(dǎo)增益低造成的。使用負(fù)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(duì)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?

欠壓保護(hù) ? ?

?(DESAT)?DESAT?保護(hù)是一種過(guò)電流檢測(cè),起源于?IGBT?的驅(qū) 動(dòng)電路。在導(dǎo)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(duì)效率有不利影響,在最壞的情 況下,可能導(dǎo)致?IGBT?的災(zāi)難性故障。所謂的“DESAT?“功能監(jiān)測(cè)?IGBT?的集電極 - 發(fā)射極電壓,并檢測(cè)何時(shí) 出現(xiàn)潛在的破壞性條件。雖然?SiC MOSFET?中的故障 機(jī)制有些不同,但會(huì)有類似的情況,在最大?ID?流過(guò)時(shí)?VDS?可能上升。如果導(dǎo)通期間的最大?VGS?太低,柵極 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通沿太慢,或者存在短路或過(guò)載情況,就會(huì)出現(xiàn) 這種不理想的條件。在滿載?ID?的情況下,RDS?會(huì)增加, 導(dǎo)致VDS意外上升。當(dāng)SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時(shí),?VDS?的反應(yīng)非常迅速,而最大漏極電流繼續(xù)流過(guò)不斷 增加的導(dǎo)通電阻。當(dāng)?VDS?達(dá)到預(yù)定的閾值時(shí),就可以 激活保護(hù)。應(yīng)特別注意避免感測(cè)?VDS?的延遲,因?yàn)檠?遲會(huì)掩蓋這種現(xiàn)象。因此,DESAT?是柵極驅(qū)動(dòng)電路的 一個(gè)重要的輔助性保護(hù)。

動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)? ? ?

SiC MOSFET?的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)有?4?個(gè)不同的階段。所示的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)波形呈現(xiàn)的是理想工作條件的情況。然 而,在實(shí)踐中,封裝寄生物,如引線和邦定線電感、 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(duì)設(shè)計(jì)好的柵極驅(qū) 動(dòng)電路的重視,對(duì)于優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中使用的?SiC MOSFET?的性能都是至關(guān)重要的。?

柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求

為了補(bǔ)償器件低增益,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、高速的開(kāi)關(guān), 對(duì)?SiC?柵極驅(qū)動(dòng)電路有以下關(guān)鍵要求。

●? 對(duì)于大多數(shù)?SiC MOSFET,驅(qū)動(dòng)電壓在 -5 V?>??VGS?>?20 V?之間時(shí)性能最佳。柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)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(nèi) )。

● 在整個(gè)米勒平臺(tái)區(qū)域內(nèi),有能力提供高的峰值柵 極灌電流和拉電流（數(shù)?A）。?

● 當(dāng)?VGS?下降到米勒平臺(tái)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(xiàn)高的灌電流能力。灌電流的額定值應(yīng)超過(guò)僅對(duì)?SiC MOSFET?的輸入電容 放電所需的電流。10 A?左右的峰值灌電流最小額定值 應(yīng)適用于高性能、半橋電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

●?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(jiān)測(cè)能力確保負(fù)電壓軌在可接受的范 圍內(nèi)。?

● 能夠檢測(cè)、報(bào)告故障和提供保護(hù)的去飽和功能, 使?SiC MOSFET?長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。?

● 支持高速開(kāi)關(guān)的低寄生電感。?

● 小尺寸驅(qū)動(dòng)器封裝,布局盡可能靠近?SiC MOSFET。

柵極驅(qū)動(dòng)器方案 ? ?

安森美的?NCP51705?是一款?SiC?柵極驅(qū)動(dòng)器?IC,提 供高的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器?IC?所共有的 功能,包括：?

●?VDD?正電源電壓最高?28 V；?

● 高峰值輸出電流——6 A?拉電流和?10 A?灌電流；?

● 內(nèi)置?5 V?基準(zhǔn)可用于偏置?5 V、20 mA?以下的低 功耗負(fù)載（數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器等）；

● 單獨(dú)的信號(hào)和電源接地連接；?

● 單獨(dú)的源和灌輸出引腳；?

● 內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)；?

● 單獨(dú)的非反相和反相?TTL、PWM?輸入。

然而,該?IC?集成幾個(gè)獨(dú)特的功能,能夠以最少的 外部元器件設(shè)計(jì)出可靠的?SiC MOSFET?柵極驅(qū)動(dòng)電路。這些功能包括：?

● 欠壓保護(hù)（DESAT）；?

● 電荷泵（用于設(shè)置負(fù)電壓軌）；?

● 可編程的欠壓鎖定（UVLO）；?

● 數(shù)字同步和故障報(bào)告；?

●?24?引腳,4 mm×4 mm,熱增強(qiáng)型?MLP?封裝, 便于板級(jí)集成。

總結(jié)? ? ?

在選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器?IC?時(shí),SiC MOSFET?的 低增益給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了難題。通用的低邊柵極驅(qū)動(dòng)器 不能高效和可靠地驅(qū)動(dòng)?SiC MOSFET。NCP51705?集成 一系列功能,為設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)?SiC MOSFET。

審核編輯：劉清