如何優(yōu)化SiC MOSFET的柵極驅(qū)動？這款I(lǐng)C方案推薦給您

本文作者：安森美業(yè)務(wù)拓展工程師Didier Balocco 在高壓開關(guān)電源應(yīng)用中，相較傳統(tǒng)的硅MOSFET和IGBT，碳化硅（以下簡稱“SiC”）MOSFET有明顯的優(yōu)勢。使用硅MOSFET可以實現(xiàn)高頻（數(shù)百千赫茲）開關(guān)，但它們不能用于非常高的電壓（>1000 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關(guān)應(yīng)用。SiC MOSFET則兩全其美，可實現(xiàn)在高壓下的高頻開關(guān)。然而，SiC MOSFET的獨特器件特性意味著它們對柵極驅(qū)動電路有特殊的要求。了解這些特性后，設(shè)計人員就可以選擇能夠提高器件可靠性和整體開關(guān)性能的柵極驅(qū)動器。在這篇文章中，我們討論了SiC MOSFET器件的特點以及它們對柵極驅(qū)動電路的要求，然后介紹了一種能夠解決這些問題和其它系統(tǒng)級考慮因素的IC方案。 一Si 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之間，以降低導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻（R_DS）。SiC MOSFET工作在低V_GS下可能會導(dǎo)致熱應(yīng)力或由于高R_DS而可能導(dǎo)致故障。與低增益相關(guān)的其他影響會直接影響幾個重要的動態(tài)開關(guān)特性，在設(shè)計適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動電路時必須考慮這些影響，包括導(dǎo)通電阻、柵極電荷（米勒平臺）和過電流（DESAT）保護(hù)。

二導(dǎo)通電阻

在低V_GS時，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)V_GS = 14 V時，R_DS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的這一獨特特征直接歸因于其低增益，這意味著如果兩個或更多的SiC MOSFET并聯(lián)工作在低V_GS(負(fù)溫度系數(shù))下，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。因此，只有當(dāng)V_GS足以確保可靠的正溫度系數(shù)工作時（即V_GS>18V），才建議將SiC MOSFET并聯(lián)工作。

圖1：M1或M2 SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線新一代M3 SiC在所有V_GS和所有溫度范圍都顯示正溫度系數(shù)

圖2：M3 SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線

三柵極電荷

向SiC MOSFET施加?xùn)旁措妷?V_GS)時，電荷被傳輸以盡快使V_GS從V_GS(MIN)(V_EE)和V_GS(MAX)(V_DD)升高。由于器件的內(nèi)部電容是非線性的，因此可以使用V_GS與柵極電荷(Q_G)的關(guān)系曲線來確定在給定的V_GS下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET的這種 "米勒平臺 "發(fā)生在較高的V_GS上，而且不像硅MOSFET那樣平坦。不平坦的米勒平臺意味著在相應(yīng)的電荷范圍內(nèi)，V_GS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，Q_G = 0 nC(關(guān)斷SiC MOSFET所需的電荷量) 不會發(fā)生在V_GS = 0 V時，因此V_GS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）。這個數(shù)值也叫Qg。這可能會引起混淆。我們需要將這張圖解讀為需要的能量，而不純粹是存儲在柵源電容器中的能量。

圖3：SiC MOSFET柵源電壓與柵極電荷的關(guān)系

使用負(fù)柵極驅(qū)動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關(guān)損耗，主要是在關(guān)斷期間的開關(guān)損耗。

因此，幾乎對于所有的SiC MOSFET，都建議在關(guān)斷狀態(tài)下使用的最小V_GS為-5 V < V_GS(MIN) < -2 V，有些制造商規(guī)定電壓低至-10 V。

四欠壓保護(hù)(DESAT)

DESAT保護(hù)是一種過電流檢測，起源于IGBT的驅(qū)動電路。在導(dǎo)通時，如果IGBT不能再保持飽和狀態(tài)（"去飽和"），集電極-發(fā)射極電壓就會上升，同時全集電極電流流過。顯然，這對效率有不利影響，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IGBT的集電極-發(fā)射極電壓，并檢測何時出現(xiàn)潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET中的故障機(jī)制有些不同，但會有類似的情況，在最大ID流過時V_DS可能上升。如果導(dǎo)通期間的最大V_GS太低，柵極驅(qū)動導(dǎo)通沿太慢，或者存在短路或過載情況，就會出現(xiàn)這種不理想的條件。在滿載ID的情況下，R_DS會增加，導(dǎo)致V_DS意外上升。當(dāng)SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時，V_DS的反應(yīng)非常迅速，而最大漏極電流繼續(xù)流過不斷增加的導(dǎo)通電阻。當(dāng)V_DS達(dá)到預(yù)定的閾值時，就可以激活保護(hù)。應(yīng)特別注意避免感測V_DS的延遲，因為延遲會掩蓋這種現(xiàn)象。因此，DESAT是柵極驅(qū)動電路的一個重要的輔助性保護(hù)。

五動態(tài)開關(guān)

SiC MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)有四個不同的階段。所示的動態(tài)開關(guān)波形呈現(xiàn)的是理想工作條件的情況。然而，在實踐中，封裝寄生物，如引線和邦定線電感、寄生電容和PCB布局會極大地影響實際波形。合適的器件選擇、最佳的PCB布局，以及對設(shè)計好的柵極驅(qū)動電路的重視，對于優(yōu)化開關(guān)電源應(yīng)用中使用的SiC MOSFET的性能都是至關(guān)重要的。

圖4：SiC MOSFET導(dǎo)通序列的4個階段

六柵極驅(qū)動電路的設(shè)計要求

為了補(bǔ)償器件低增益，同時實現(xiàn)高效、高速的開關(guān)，對SiC柵極驅(qū)動電路有以下關(guān)鍵要求：

• 對于大多數(shù)SiC MOSFET，驅(qū)動電壓在-5 V > V_GS > 20 V之間時性能最佳。柵極驅(qū)動電路應(yīng)能承受V_DD = 25 V和V_EE = -10 V，以適用于最廣泛的可用器件

• V_GS必須有快速的上升沿和下降沿(在幾ns范圍內(nèi))

• 在整個米勒平臺區(qū)域內(nèi)，有能力提供高的峰值柵極灌電流和拉電流（數(shù)安培）

• 當(dāng)V_GS下降到米勒平臺以下時，需要提供一個非常低的阻抗保持或 "鉗位"，以實現(xiàn)高的灌電流能力。灌電流的額定值應(yīng)超過僅對SiC MOSFET的輸入電容放電所需的電流。10A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)

• V_DD欠壓鎖定(UVLO)水平，與開關(guān)開始前V_GS>~16 V的要求相匹配

• V_EE UVLO監(jiān)測能力確保負(fù)電壓軌在可接受的范圍內(nèi)

• 能夠檢測、報告故障和提供保護(hù)的去飽和功能，使SiC MOSFET長期可靠運行

• 支持高速開關(guān)的低寄生電感

• 小尺寸驅(qū)動器封裝，布局盡可能靠近SiC MOSFET

七柵極驅(qū)動器方案

安森美的NCP51705是一款SiC柵極驅(qū)動器IC，提供高的設(shè)計靈活度和集成度，幾乎與任何SiC MOSFET兼容。NCP51705集成許多通用柵極驅(qū)動器IC所共有的功能，包括：

• V_DD正電源電壓最高28V

• 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）

• 單獨的信號和電源接地連接

• 單獨的源和灌輸出引腳

• 內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)

• 單獨的非反相和反相TTL、PWM輸入

圖5：NCP51705 SiC柵極驅(qū)動器框圖

然而，該IC集成幾個獨特的功能，能夠以最少的外部元器件設(shè)計出可靠的SiC MOSFET柵極驅(qū)動電路。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)字同步和故障報告

• 24引腳，4毫米×4毫米，熱增強(qiáng)型MLP封裝，便于板級集成

八總結(jié)

在選擇合適的柵極驅(qū)動器IC時，SiC MOSFET的低增益給設(shè)計人員帶來了難題。通用的低邊柵極驅(qū)動器不能高效和可靠地驅(qū)動SiC MOSFET。NCP51705集成一系列功能，為設(shè)計人員提供了一個簡單、高性能、高速的解決方案，高效、可靠地驅(qū)動SiC MOSFET。

希望以上這些內(nèi)容可以在實際設(shè)計過程中對大家有所幫助。將安森美加入星標(biāo)，更新不容錯過。

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