SiC的驅(qū)動(dòng)電壓多少才合適？

過去的一年，作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，碳化硅（SiC）器件著實(shí)火了一把，其高工作溫度、高擊穿場強(qiáng)、高耐壓、高熱導(dǎo)率、高功率密度以及高可靠性，為設(shè)計(jì)師打造具有競爭力的節(jié)能型產(chǎn)品提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

目前，一些領(lǐng)先的應(yīng)用已經(jīng)采用了SiC，更多的應(yīng)用正在嘗試當(dāng)中。為了充分發(fā)揮SiC的諸多優(yōu)勢，我們還需要思考用SiC進(jìn)行設(shè)計(jì)的一些難題，其中一個(gè)重要問題就是SiC器件的驅(qū)動(dòng)。關(guān)于這個(gè)問題，我們來看看多家SiC半導(dǎo)體頭部企業(yè)的技術(shù)經(jīng)理和設(shè)計(jì)主管的看法和忠告。

SiC的驅(qū)動(dòng)電壓多少才合適？

傳統(tǒng)硅MOSFET的典型驅(qū)動(dòng)電壓是12V，傳統(tǒng)硅IGBT的典型驅(qū)動(dòng)電壓為15V，SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓通常比它們都高。Cree|Wolfspeed應(yīng)用經(jīng)理魏晨說：“我們廣泛應(yīng)用的第二代SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓是20V，許多客戶希望能夠降低其驅(qū)動(dòng)電壓，最好與傳統(tǒng)硅器件差不多。為了方便客戶使用，我們的第三代SiC MOSFET的典型驅(qū)動(dòng)電壓從第二代的20V降到了15V，柵極電壓極限為+19V-8V，更容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)損耗?！?/p>

他說：“在典型橋式電路應(yīng)用中，我們推薦客戶使用+15V/-3V的驅(qū)動(dòng)電壓，把驅(qū)動(dòng)電壓的精度做到±5%。15V可以保證MOSFET有效開通，且相對最高極限電壓19V保留4V的電壓裕量。-3V的負(fù)壓可以有效避免由串?dāng)_引起的共通問題，同時(shí)-3V距離-8V的柵極電壓極限保留了5V裕量?！?/p>

從柵極驅(qū)動(dòng)角度看，SiC MOSFET比硅器件對柵極電壓的依賴性更大，與之相關(guān)的低跨導(dǎo)的一個(gè)挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體先進(jìn)方案部產(chǎn)品營銷經(jīng)理黎志遠(yuǎn)認(rèn)為：“解決這個(gè)問題需要考慮采用隔離加負(fù)偏壓的方法。柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠提供+20V和-2V至-5V的負(fù)偏壓，同時(shí)具有最小的輸出阻抗和高電流能力。”

羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司技術(shù)中心高級經(jīng)理蘇勇錦認(rèn)為：“使用SiC MOSFET，需要在低損耗和高可靠性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。針對ROHM已經(jīng)量產(chǎn)的第二代和第三代SiC MOSFET，我們推薦驅(qū)動(dòng)電壓為18V。為了達(dá)到與傳統(tǒng)硅IGBT及SJ-MOS驅(qū)動(dòng)兼容的目的，ROHM第四代SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓可同時(shí)對應(yīng)18V或15V，這是行業(yè)先進(jìn)水平?！睘榱嗽u估驅(qū)動(dòng)IC和SiC MOSFET（包括單管或SiC模塊），實(shí)現(xiàn)各種電路自由搭配、雙脈沖實(shí)驗(yàn)，ROHM還提供多種類型的評估板。

對于SiC MOSFET來說，通常需要使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)來使之關(guān)斷，而使用高正驅(qū)動(dòng)來獲得最低的Rdson。然而，這使得SiC MOSFET更接近于其柵極氧化層能夠長期可靠工作的最大電場。UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla表示：“SiC FET則是一種可以替代已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET等器件的產(chǎn)品。通過允許0到12V的柵極驅(qū)動(dòng)，SiC FET能夠像普通的硅MOSFET一樣容易驅(qū)動(dòng)。5V的高Vth看起來就像一個(gè)IGBT，因此設(shè)計(jì)師會(huì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)合非常好的Crss/Ciss比，即使硅MOS或IGBT不能用，SiC FET也可以使用單極柵驅(qū)動(dòng)器。”

他說：“對于我們的器件，我們建議f＜100kHz用0-12V，或f＞100kHz用0-15V柵極驅(qū)動(dòng)器；同時(shí)建議在適當(dāng)?shù)胤绞褂肦C器件緩沖器，而不是用Rgon/Rgoff電阻來控制開關(guān)，以便在低開關(guān)損耗和EMI/過沖之間獲得更好的平衡電壓。”

SiC柵極驅(qū)動(dòng)有一些最低要求，不能滿足這些要求，器件的可靠性就無法保證。意法半導(dǎo)體工業(yè)功率轉(zhuǎn)換部門產(chǎn)品市場經(jīng)理Carolina SELVA說：“首先，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，dV/dt瞬態(tài)耐量為±50V/ns，這是因?yàn)镾iC MOSFET是為快速開關(guān)和高頻開關(guān)設(shè)計(jì)的；其次，最小差分電源電壓擺幅為22-28V（取決于是否施加負(fù)關(guān)斷柵極電壓）。因此，SiC MOSFET需要更高的正柵極驅(qū)動(dòng)電壓（+20V），取決于應(yīng)用是否需要負(fù)關(guān)斷柵極電壓?！?/p>

三菱電機(jī)半導(dǎo)體大中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)宋高升表示：“三菱電機(jī)推出的工業(yè)用SiC器件對柵極氧化層進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，使其驅(qū)動(dòng)電壓與IGBT器件保持一致，即±15V，這樣可以方便客戶進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)?！?/p>

Power Integrations工業(yè)高壓營銷總監(jiān)Francesco Fisichella說：“與IGBT（+15V/-15V）不同，SiC器件沒有通用柵極電壓，可能介于-4V和-10V/+15V和+20V之間，完全取決于器件廠商采用的技術(shù)。因此，SiC器件驅(qū)動(dòng)器必須非常靈活。不過，發(fā)展趨勢是-5V和+15V至+20V。”

如何得到可靠穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)？

Cree|Wolfspeed的魏晨表示：“為了得到可靠穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，我們推薦使用基于隔離電源和隔離驅(qū)動(dòng)芯片的方案。對于高頻橋式電路應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)芯片的CMTI需要大于100V/ns。推薦選用滿足系統(tǒng)隔離工作電壓要求，并有足夠驅(qū)動(dòng)能力、帶有米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片。結(jié)合合理的PCB布局，米勒鉗位能夠幫助用戶降低共通風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性，還能幫助用戶抑制柵極負(fù)壓尖峰，以滿足SiC MOSFET的柵極電壓要求”。

羅姆的蘇勇錦指出：“在高速開關(guān)時(shí)，SiC柵極驅(qū)動(dòng)要有快速響應(yīng)，而高速開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓，影響電路穩(wěn)定特性、損耗等。羅姆除了提供SiC器件外，還提供包括柵極驅(qū)動(dòng)IC在內(nèi)的局部電路解決方案，除了支持PCB合理布線（減小寄生電感）外，還可根據(jù)客戶實(shí)際應(yīng)用電路給出合理有效的浪涌電壓抑制電路及器件參數(shù)，為客戶排憂解難。”他還介紹說：“目前汽車應(yīng)用SiC驅(qū)動(dòng)IC主要是磁隔離、容隔離占主導(dǎo)。羅姆的SiC+柵極驅(qū)動(dòng)IC解決方案能自由搭配功率電路，并通過全方位的技術(shù)支持及時(shí)有效地解決客戶使用SiC的后顧之憂?！?/p>

安森美半導(dǎo)體的黎志遠(yuǎn)介紹說：“我們的第一代帶有負(fù)電荷泵的非隔離型驅(qū)動(dòng)器NCP（V）51705驅(qū)動(dòng)器主要用于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET晶體管。為了將導(dǎo)通損耗降至最低，它能夠?qū)⒆畲笤试S柵極電壓提供給SiC MOSFET器件。在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，提供6A的高峰值輸出電流，從而最小化開關(guān)損耗。為了提高可靠性、dV/dt抗擾度及更快關(guān)斷速度，它利用板載電荷泵產(chǎn)生用戶可選的負(fù)電壓軌。對于隔離應(yīng)用，NCP/NCV51705提供一個(gè)外部可訪問的5V電源軌，為數(shù)字或高速光耦隔離器的次級端供電。”

SiC的高開關(guān)頻率會(huì)造成三個(gè)問題，首先是柵極電阻溫升比較高，對驅(qū)動(dòng)的散熱設(shè)計(jì)要求很高；其次會(huì)造成較大共模干擾，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要滿足這方面的要求。另外，驅(qū)動(dòng)的單通道輸出功率比較大，要求驅(qū)動(dòng)板原次邊隔離電源功率大，效率高，體積小。青銅劍科技的陳恒星說：“首先要采用大功率柵極電阻，優(yōu)化高開關(guān)頻率帶來的驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O溫升高的問題，同時(shí)通過優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)，增大驅(qū)動(dòng)覆銅來提高驅(qū)動(dòng)散熱能力；其次，為優(yōu)化共模干擾及高dv/dt問題，驅(qū)動(dòng)增加了濾波措施，優(yōu)化PCB布局，減小變壓器耦合電容；第三，為在有限體積內(nèi)提高驅(qū)動(dòng)隔離電源效率及輸出功率，在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上還要優(yōu)化變壓器繞線方式及磁芯材質(zhì)?！?/p>

SiC器件的安全怎樣保證？

由SiC的諸多特性決定，其注定要用在高溫、空間狹小的場合。三菱電機(jī)的宋高升介紹說：“為降低橋臂串?dāng)_帶來的誤動(dòng)作，三菱電機(jī)在MOSFET柵極氧化層形成過程中采用獨(dú)特的再氧化工藝，在保證低通態(tài)電阻的同時(shí)將開通閾值電壓增加至4V。采用這一工藝的600V SiC MOSFET器件已經(jīng)在家電用DIPIPM上使用。三菱電機(jī)利用此工藝正在開發(fā)1200V高開通閾值電壓的SiC MOSFET器件?！?/p>

相對于IGBT 10μs的短路耐受時(shí)間，SiC器件的短路耐受時(shí)間一般只有2-4μs，需要更加快速精確的短路保護(hù)方式。為了解決這個(gè)問題，三菱電機(jī)開發(fā)了集成RTC電路的SiC模塊，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，SiC模塊內(nèi)部的RTC電路會(huì)自動(dòng)降低柵極電壓，漏極電流會(huì)隨之大大降低，SiC器件的短路耐受時(shí)間也會(huì)隨之延長。RTC電路同時(shí)會(huì)輸出一個(gè)短路信號給外側(cè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)保護(hù)，及時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號。宋高升說：“經(jīng)實(shí)際測試，從短路發(fā)生到啟動(dòng)保護(hù)，只有1.2μs，大大提高了短路保護(hù)的可靠性，也極大簡化了驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)?！?/p>

防止嚴(yán)重的安全問題并提升可靠性的一種方法是隔離。安森美半導(dǎo)體的黎志遠(yuǎn)建議設(shè)計(jì)人員采用NCP（V）51705 + NCID9401/11（數(shù)字隔離器），或隔離型驅(qū)動(dòng)器 + 分立器件（齊納二極管及電容器）來設(shè)計(jì)SiC驅(qū)動(dòng)；并使用SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)器子卡來評估SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

Power Integrations的Fisichella認(rèn)為：“并非所有SiC模塊都能承受短路，那些能承受短路的模塊通常比IGBT模塊（通常為10μs）的承受時(shí)間要短得多（2-4μs）。這就要求柵極驅(qū)動(dòng)器能夠檢測到短路，并非常迅速地關(guān)斷器件，而不會(huì)因靈敏度過高和誤觸發(fā)而出現(xiàn)問題?！?/p>

意法半導(dǎo)體的工業(yè)功率轉(zhuǎn)換部門產(chǎn)品市場經(jīng)理Carolina SELVA介紹說：“STGAP1AS是一個(gè)廣泛使用的SiC柵極驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)置米勒鉗位保護(hù)功能可在半橋配置的功率電路開關(guān)時(shí)控制米勒電流。當(dāng)SiC功率開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可以避免同一橋臂上的另一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通產(chǎn)生的CGD電容引起感應(yīng)導(dǎo)通現(xiàn)象。在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器使用CLAMP引腳監(jiān)視開關(guān)管的柵極電壓。當(dāng)柵極電壓降至VCLAMPth閾壓以下時(shí)，驅(qū)動(dòng)器激活CLAMP開關(guān)，創(chuàng)建一條低阻抗路徑，以防止不必要的開關(guān)導(dǎo)通。”

SiC短路耐受能力弱，通常要求驅(qū)動(dòng)保護(hù)在3μs內(nèi)動(dòng)作，否則就會(huì)出現(xiàn)不動(dòng)作或誤動(dòng)作問題。青銅劍科技的陳恒星說：“針對SiC器件短路耐受時(shí)間短的問題，根據(jù)模塊特性及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)一般將短路時(shí)間設(shè)置在1.5μs，在恰當(dāng)時(shí)間內(nèi)做出保護(hù)動(dòng)作。SiC開關(guān)速率快，開通閾值低，較高dv/dt會(huì)產(chǎn)生米勒效應(yīng)導(dǎo)致SiC器件誤開通，影響其可靠性。在驅(qū)動(dòng)中增加米勒鉗位可以防止誤導(dǎo)通?！?/p>

選擇誰家的驅(qū)動(dòng)器？

Cree|Wolfspeed的魏晨表示：像TI的UCC5350MC、ADI的ADuM4121等都是值得嘗試的分立SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)器。他說：“我們一直在與TI、ADI及SiLabs等主流驅(qū)動(dòng)廠商緊密合作，為Wolfspeed的SiC MOSFET量身打造最合適的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品?！?/p>

三菱電機(jī)的宋高升也表示：“一些驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)廠商會(huì)針對三菱的SiC器件設(shè)計(jì)即插即用的驅(qū)動(dòng)器，客戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行對比選擇；由于三菱的部分SiC器件內(nèi)部集成了RTC電路，因此可以降低驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)難度，客戶也可以根據(jù)自身的情況自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)。”

意法半導(dǎo)體的SELVA說：“對用戶來說，SiC供應(yīng)商的柵極驅(qū)動(dòng)器充分利用其功率器件的知識經(jīng)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)公司的驅(qū)動(dòng)器則專注于各種SiC產(chǎn)品，覆蓋更廣泛的功能需求?！?/p>

據(jù)UnitedSiC的Bhalla介紹，UnitedSiC的SiC FET由于柵極電流很低，而且不需要米勒鉗位，幾乎可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)硅驅(qū)動(dòng)器、IGBT驅(qū)動(dòng)器或先進(jìn)的SiC驅(qū)動(dòng)器。事實(shí)上，許多用戶甚至使用基于脈沖變壓器的簡單柵極驅(qū)動(dòng)器。他說：“SiC FET的全部價(jià)值在于不需要使用更昂貴的新型SiC MOSFET或類似GaN的驅(qū)動(dòng)器。具有足夠dv/dt額定值和CMTI額定值的傳統(tǒng)硅驅(qū)動(dòng)器就足夠了?！边@一點(diǎn)有別于其他廠商。

自己不做SiC器件，但專注于功率器件柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的一些公司也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，如Power Integrations。該公司的Fisichella表示：“最重要的問題是，SiC驅(qū)動(dòng)器必須與SiC模塊完美匹配。這聽起來似乎很簡單，但是，SiC柵極驅(qū)動(dòng)器比IGBT驅(qū)動(dòng)器更復(fù)雜，因?yàn)镾iC的特性導(dǎo)致參數(shù)范圍更廣，并且保護(hù)功能必須進(jìn)行高度調(diào)優(yōu)。因此，SiC模塊制造商可能會(huì)推薦首選合作伙伴的可靠解決方案?！?/p>

看來，滿足客戶多元化需求是專門做驅(qū)動(dòng)的公司得以立命之本。那么，器件廠商做驅(qū)動(dòng)和專門做驅(qū)動(dòng)的公司有什么不同呢？青銅劍科技的陳恒星認(rèn)為，前者一般僅專注于自己SiC器件的配套驅(qū)動(dòng)。而后者會(huì)針對外資品牌、國內(nèi)品牌等行業(yè)內(nèi)不同SiC器件公司的產(chǎn)品做定制化開發(fā)。他說：“我們不局限于哪一家的SiC器件，而是根據(jù)不同客戶要求、各廠家不同的封裝，包括特性和參數(shù)來提供對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)?！?/p>

寫在最后

讓SiC如愿以償

用SiC器件設(shè)計(jì)應(yīng)用是一個(gè)挑戰(zhàn)，在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面會(huì)遇到一些棘手的問題，如果解決不好，SiC器件就無法如愿以償?shù)匕l(fā)揮作用，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障。另外，選擇供應(yīng)商和現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)也要因應(yīng)用而異。只有SiC器件與應(yīng)用完美匹配，才能讓它在功率系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

原文標(biāo)題：直面驅(qū)動(dòng)四大挑戰(zhàn)，讓碳化硅如愿以償

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