如何為您的SiC MOSFET選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器

雖然 SiC 提供了一系列優(yōu)勢(shì)，包括更快的開關(guān)和更高的效率，但它也帶來了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，可以通過選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器來解決。

碳化硅 (SiC) MOSFET 憑借一系列優(yōu)于硅基開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得了重大進(jìn)展。這些包括更快的開關(guān)、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，從而使設(shè)計(jì)更小、更輕。這幫助他們?cè)谝幌盗衅嚭?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)應(yīng)用中找到了家。但是像 SiC 等寬帶隙 (WBG) 器件也帶來了設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器來解決。

由于柵極驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)功率器件，因此它是功率難題的關(guān)鍵部分。確保使用 SiC 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種方法包括首先仔細(xì)考慮您選擇的柵極驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，它需要仔細(xì)審視您的設(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)，但定價(jià)仍然是采用的障礙。根據(jù)電源 IC 制造商的說法，如果您在零件比較的基礎(chǔ)上查看 SiC 與硅，那么除非設(shè)計(jì)人員查看解決方案的總成本，否則將更加昂貴且難以證明其合理性。

因此，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 具有更低的導(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)更快的開關(guān)，以及 3 倍高的帶隙能量，從而導(dǎo)致更高的結(jié)溫以改善冷卻，以及 3 倍高的熱導(dǎo)率，這意味著進(jìn)入更高的功率密度。

業(yè)界一致認(rèn)為，低壓 Si MOSFET 和 GaN 在 <700-V 及以上范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而 SiC 在低功率范圍內(nèi)有一點(diǎn)重疊。

SiC 主要取代超過 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 類型應(yīng)用，在約 11 kW 時(shí)更是如此，這對(duì)于 SiC 來說更像是一個(gè)甜蜜點(diǎn)，這意味著高電壓操作、低開關(guān)損耗和更高的Microchip Technology 分立和電源管理數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器 (AgileSwitch) 產(chǎn)品線總監(jiān) Rob Weber 表示，開關(guān)頻率功率級(jí)。

他說，這允許使用更小的濾波器和無源元件，并減少冷卻需求?！拔覀冋?wù)摰氖窍鄬?duì)于 IGBT 的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，最終是尺寸、成本和重量的減小。

“從 aa 損耗的角度來看，您可以將損耗降低多達(dá) 70%，例如，在 30 kHz 的開關(guān)頻率下，這是碳化硅在擊穿場(chǎng)、電子飽和速度方面的一些不同特性的結(jié)果、帶隙能和熱導(dǎo)率，”韋伯說。

SiC 與 Si 和 IGBT（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，工程師關(guān)注的基準(zhǔn)是效率，這會(huì)導(dǎo)致改進(jìn)水平，但在 SiC 中越來越多地發(fā)生的另一件事是系統(tǒng)級(jí)優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢(shì)。

“使用碳化銀，您可以在更高的開關(guān)頻率下工作，這使您可以在直接功率級(jí)周圍擁有更小的外部組件，例如濾波器，它們是大而重的磁性設(shè)備；由于較低的開關(guān)損耗，在較高溫度下運(yùn)行或在較低溫度下運(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，”他解釋說。

他說，這種組件尺寸和重量的減少意味著成本更低，這意味著碳化硅不僅能提高效率。

然而，在部件與部件之間的價(jià)格比較中，碳化硅仍然比傳統(tǒng)的硅基 IGBT 貴?！懊總€(gè)制造商的 SiC 模塊成本都會(huì)更高，但是當(dāng)您查看整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，SiC 系統(tǒng)的成本更低，”Weber 說。

在 Weber 分享的一個(gè)示例中，一位客戶在使用 SiC MOSFET 時(shí)能夠?qū)⑾到y(tǒng)成本降低 6%。

一旦設(shè)計(jì)師決定改用 SiC，他們還需要權(quán)衡利弊。功率半導(dǎo)體制造商同意必須處理噪聲、EMI 和過壓等“二次效應(yīng)”。

“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，這會(huì)轉(zhuǎn)化為 EMI，”Weber 說?！按送?，雖然 SiC 在較高電壓下表現(xiàn)出色，但它在短路條件下的穩(wěn)健性也遠(yuǎn)不如 IGBT，而且您的電壓會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)出現(xiàn)過壓情況，這導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)人員使用更高的額定電壓SiC 器件，因此它們可以更好地控制過壓和過熱?！?/p>

這就是柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇發(fā)揮重要作用的地方。SiC 對(duì)電源電壓、快速短路保護(hù)和高 dv/dt 抗擾度等特性有獨(dú)特的要求。

選擇碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器

在為 SiC 開關(guān)選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，與基于硅的設(shè)備相比，在考慮電源解決方案時(shí)需要一種新的思維方式。要查看的關(guān)鍵領(lǐng)域包括拓?fù)?、電壓、偏置以及監(jiān)控和保護(hù)功能。

Weber 說，柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇至關(guān)重要，從歷史上看，使用順序方法來選擇柵極驅(qū)動(dòng)器是可以的。“在使用 SiC 之前，您會(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等，”Weber 說?！巴耆兞恕Ｄ仨毑榭茨跇?gòu)建的整個(gè)整體解決方案以及每一步的權(quán)衡，而不是采用 IGBT 的這種順序方法。這對(duì)很多客戶都是一種教育?！?/p>

此外，還有多種用于 SiC 的柵極驅(qū)動(dòng)器，其特性和集成度（和價(jià)格）范圍廣泛，針對(duì)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)工程主管 Lazlo Balogh 表示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率電平、保護(hù)和功能安全要求以及所用 SiC 器件的代數(shù)將決定應(yīng)用所需的驅(qū)動(dòng)器類型。

例如，可能需要大量額外電路的非隔離驅(qū)動(dòng)器適用于更簡(jiǎn)單的應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，并非所有東西都必須集成到驅(qū)動(dòng)器中，他說。

他補(bǔ)充說，還有一些隔離驅(qū)動(dòng)器可以處理負(fù)偏置和隔離問題，但仍需要在系統(tǒng)中進(jìn)行某種監(jiān)控，直到提供進(jìn)一步集成的設(shè)備，例如監(jiān)控和保護(hù)電路以及汽車應(yīng)用的功能安全。

“以正確方式部署 SiC 的清單是查看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及您必須驅(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、確定需要哪種保護(hù)，然后優(yōu)化布局，”巴洛格說。

從驅(qū)動(dòng)器的角度來看，它具有正確的偏置，因此具有正確的電壓能力，無論您需要隔離式還是非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，需要多少保護(hù)，這與集成級(jí)別 [保護(hù)和安全] 或如何他補(bǔ)充說，需要很多額外的電路。

Balogh 說，稍微阻礙 SiC 的因素之一是認(rèn)識(shí)到由于更高的開關(guān)速度，它需要放入消除源電感的封裝中，這通常是通過開爾文源連接來完成的?！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)減慢開關(guān)動(dòng)作?！?/p>

開爾文源連接（來源：德州儀器公司）

“這是布局工程師成為您最好的朋友的地方，因?yàn)槟_實(shí)必須查看布局以減輕振鈴并針對(duì)高速切換對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，”Balogh 說。他補(bǔ)充說，這包括最大限度地減少走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并通過選擇正確的組件來適當(dāng)?shù)嘏月穂開關(guān)電流路徑和寬頻帶]。

Balogh 說，真正重要的是將驅(qū)動(dòng)程序連接到開關(guān)。他說，由于雜散電感會(huì)增加開關(guān)損耗，因此您必須將驅(qū)動(dòng)器的接地直接連接到電源開關(guān)的源極。

德州儀器 (TI) 提供了許多參考板/設(shè)計(jì)，使客戶能夠接近他們的性能要求。Balogh 說，總有一些權(quán)衡取舍，英飛凌可以幫助他們根據(jù)自己的需求優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如他們是否需要滿載時(shí)的峰值效率。他的建議是：如果您對(duì)驅(qū)動(dòng) WBG 有任何疑問，請(qǐng)閱讀應(yīng)用說明并聯(lián)系應(yīng)用工程師。

Texas Instruments 提供一系列 Si 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器，包括 UCC21710、UCC21732、UCC21750。這些是具有集成保護(hù)和傳感功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。這些器件提供快速檢測(cè)時(shí)間以防止過流事件，同時(shí)確保系統(tǒng)安全關(guān)閉。

保護(hù)功能（來源：德州儀器）

英飛凌科技區(qū)域應(yīng)用工程師 Mladen Ivankovic 表示，在選擇 SiC MOSFET 時(shí)，要問的第一個(gè)關(guān)鍵問題是“該組件需要單極驅(qū)動(dòng)還是雙極驅(qū)動(dòng)”。

市場(chǎng)上有快速而強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器，既可以驅(qū)動(dòng) Si 也可以驅(qū)動(dòng) SiC，但人們?cè)趶?Si 轉(zhuǎn)向 SiC 時(shí)需要謹(jǐn)慎的是如何驅(qū)動(dòng)它，因?yàn)楣枋怯?12 伏的典型電壓驅(qū)動(dòng)的，Ivankovic說?！澳闶褂?12-V 來開啟和使用 0V 來關(guān)閉，所以驅(qū)動(dòng)硅元件或超級(jí)結(jié) MOSFETS 的驅(qū)動(dòng)器的正常電壓范圍是 0 到 12 伏，這對(duì)于任何硅元件供應(yīng)商都是全面的，他加了。

另一方面，不同廠商的 SiC 器件會(huì)有不同的開啟/開啟電壓。例如，市場(chǎng)上有 SiC MOSFET，需要 +15 V 才能開啟，-4 V 才能關(guān)閉，或者 +20 V 開啟，-2 或 -5 V 關(guān)閉，Ivankovic說?！斑@需要一個(gè)能夠使用正負(fù)電壓的驅(qū)動(dòng)器?！?/p>

但使用英飛凌 SiC，您只需要更寬的電壓范圍，他說。“因此，不是 0 到 12 V，您需要用 0 到 18 V 驅(qū)動(dòng)它，并且您可以使用用于 Si 或 SiC 的相同驅(qū)動(dòng)器?！?/p>

Ivankovic 說，因此您必須小心選擇是需要單極柵極驅(qū)動(dòng)器還是需要正負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)器才能正確驅(qū)動(dòng)組件。

英飛凌最近推出了適用于一系列工業(yè)應(yīng)用的EiceDRIVER X3 增強(qiáng)型模擬 (1ED34xx) 和數(shù)字 (1ED38xx) 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC。這兩個(gè)系列均設(shè)計(jì)用于分立和模塊封裝中的 IGBT 以及 Si 和 SiC MOSFET。1ED34xx 通過外部電阻器提供可調(diào)節(jié)的去飽和濾波時(shí)間和軟關(guān)斷電流，1ED38xx 為多個(gè)參數(shù)提供 I2C 可配置性，包括可調(diào)控制和保護(hù)功能，例如短路保護(hù)、軟關(guān)斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關(guān)斷和兩級(jí)關(guān)斷 (TLTO)。

英飛凌的 EiceDRIVER 1EDBx275F 是一系列單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，旨在驅(qū)動(dòng) Si、SiC 和 GaN 功率開關(guān)。（來源：英飛凌科技）

可配置的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器

許多領(lǐng)先的電源 IC 制造商已經(jīng)開發(fā)了獨(dú)特的 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)和解決方案，以解決一些二次效應(yīng)，并最大限度地發(fā)揮轉(zhuǎn)向 WBG 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

例如，Microchip 在其 AgileSwitch 驅(qū)動(dòng)程序中采用數(shù)字方法，其中包括一種稱為“增強(qiáng)開關(guān)”的獨(dú)特技術(shù)。該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵要素是可配置的開啟/關(guān)閉，提供一系列步驟來控制電壓電平和這些電壓電平的時(shí)間。這允許設(shè)計(jì)人員通過軟件以數(shù)字方式配置開啟/關(guān)閉配置文件，無需更改硬件。該技術(shù)還包括額外級(jí)別的故障監(jiān)控檢測(cè)和短路響應(yīng)。

Microchip 聲稱有重大改進(jìn)：開關(guān)損耗降低 50%，電壓過沖降低 80%。

“傳統(tǒng)的模擬方法當(dāng)然適用于硅開關(guān)，其中許多次級(jí)效應(yīng)在驅(qū)動(dòng)慢速 IGBT 時(shí)不是問題，但碳化硅是一種完全不同的動(dòng)物，”Weber 說。

Weber 表示，數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是能夠非?？焖俚乇Ｗo(hù)短路狀況，然后以安全的方式對(duì)其做出響應(yīng)。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)步（來源：Microchip Technology）

Microchip 最近推出了其第 2 代數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器，為第一代器件增加了新的控制水平?？膳渲玫臇艠O驅(qū)動(dòng)器可用于任何供應(yīng)商的 SiC MOSFET。

MOSFETS 的差異與開啟和關(guān)閉電壓有關(guān)，因此

Weber 說，即使公司與公司之間可能具有不同的正負(fù)電壓，也能夠?qū)?+/- 電壓電平進(jìn)行編程，這些都可以通過柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置。

AgileSwitch 可配置性（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，客戶已經(jīng)能夠?qū)⑺麄兊拈_發(fā)周期和開發(fā)時(shí)間縮短多達(dá)六個(gè)月。“你可以使用軟件來做你過去用焊槍或電路板重新旋轉(zhuǎn)做的事情的想法是一種不同的心態(tài)。但您知道，對(duì)于開始采用它的客戶來說，他們認(rèn)為它改變了游戲規(guī)則?！?/p>

他還指出，它為客戶提供了更大的靈活性，尤其是在供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)的時(shí)候?！爱?dāng)供應(yīng)可用時(shí)，公司將能夠在供應(yīng)商之間轉(zhuǎn)移。”

Microchip 在一系列柵極驅(qū)動(dòng)器板產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了 ASD2 數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，這些產(chǎn)品被稱為柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核 - 帶有電源柵極驅(qū)動(dòng)器的半橋設(shè)備，帶有微處理器和一定程度的可配置性和控制。該公司還支持與一系列適配器板或子卡的全行業(yè)兼容性，這些適配器板或子卡能夠使用 Microchip 和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊類型。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器還允許設(shè)計(jì)人員針對(duì)當(dāng)今的應(yīng)用優(yōu)化 MOSFET，而不是優(yōu)化 5 年或 10 年，以解決開關(guān)隨時(shí)間或使用而退化的問題。

“對(duì)于我們的驅(qū)動(dòng)器，客戶正在關(guān)注和感興趣的事情之一是能夠針對(duì)當(dāng)今的 MOSFET 進(jìn)行優(yōu)化，其想法是隨著時(shí)間的推移，如果 MOSFET 確實(shí)性能下降，他們可以更改設(shè)置以優(yōu)化 MOSFET。通過這種方式，他們可以從今天的系統(tǒng)中獲得更高的效率，而不是通過為未來最壞的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)而放棄這種效率，”Weber 說。

他補(bǔ)充說，這可以在模擬解決方案中完成，并且總是有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，但是開發(fā)解決方案的成本、權(quán)衡和時(shí)間是多少。

使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序

供應(yīng)商同意可以使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器來控制 SiC 設(shè)備，但他們必須決定權(quán)衡的大小，而這種權(quán)衡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)減少振鈴和過壓的一種方法是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

Balogh 指出需要考慮的其他問題，例如保護(hù)功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開關(guān)和芯片上的熱點(diǎn)，這些都會(huì)對(duì)功率損耗、EMI 和尺寸產(chǎn)生影響。
此外，額外的電路通常比集成解決方案和專用 SiC 占用更多空間，因此存在很多負(fù)面影響，因此高端設(shè)計(jì)選擇專用 SiC 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)器，它考慮了更快的開關(guān)等因素、過壓條件以及圍繞噪聲和 EMI 的問題，他說。

“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補(bǔ)充它，這通常是一種權(quán)衡，”Balogh 同意道。

例如，對(duì)于小型高功率密度設(shè)計(jì)，可以使用 SOT23 封裝中的標(biāo)準(zhǔn)非隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，Balogh 說。他說，非隔離驅(qū)動(dòng)程序不能直接適用，但可以做到，而且很多人都走這條路。

審核編輯：湯梓紅