驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能的必要性分析

前 言

相較于硅MOSFET和硅IGBT，碳化硅MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度、導(dǎo)通電阻更低、開(kāi)啟電壓更低的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于新能源汽車、工業(yè)、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。在橋式電路中，碳化硅MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度會(huì)使得串?dāng)_行為更容易發(fā)生，也會(huì)更容易發(fā)生誤開(kāi)通現(xiàn)象，所以如何有效可靠地驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET至關(guān)重要。我們發(fā)現(xiàn)，如果在驅(qū)動(dòng)電路中使用米勒鉗位功能，可以有效地抑制碳化硅 MOSFET誤開(kāi)通的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

為此基本半導(dǎo)體自主研發(fā)推出可支持米勒鉗位功能的雙通道隔離驅(qū)動(dòng)芯片BTD25350，此驅(qū)動(dòng)芯片專為碳化硅MOSFET門極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，能高效可靠地抑制碳化硅MOSFET的誤開(kāi)通，該驅(qū)動(dòng)芯片目前被廣泛應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能、充電樁、車載OBC、服務(wù)器電源等領(lǐng)域中。

一、驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能的必要性分析

1.1 在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在橋式電路中，功率器件容易發(fā)生串?dāng)_行為，在串?dāng)_行為下，門極電壓會(huì)被抬高，一旦門極電壓超過(guò)功率器件的開(kāi)啟電壓，將會(huì)使已關(guān)閉的功率器件出現(xiàn)誤開(kāi)通現(xiàn)象，從而造成直流母線短路。為減少誤開(kāi)通的風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的硅MOSFET和硅IGBT通常在驅(qū)動(dòng)電路中采取構(gòu)建負(fù)電壓關(guān)斷的方法，負(fù)壓絕對(duì)值越高，抑制誤開(kāi)通的效果就越好。

如下圖所示硅IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中，一般硅IGBT的驅(qū)動(dòng)正電壓是+15V，在關(guān)斷期間，串?dāng)_電流Igd（紅色線）會(huì)流經(jīng)Ciss, 在關(guān)斷電阻Roff和IGBT內(nèi)部柵極電阻Rg兩端，產(chǎn)生左負(fù)右正的電壓，這兩個(gè)電壓疊加在IGBT門極，此時(shí)IGBT會(huì)有誤開(kāi)通的風(fēng)險(xiǎn)。為防止誤開(kāi)通，需要采用負(fù)電壓關(guān)斷，負(fù)電壓通常在-8V左右，最高-10V。

1.2 相較于硅IGBT，碳化硅MOSFET 具有開(kāi)關(guān)速度更快、開(kāi)啟電壓更低、門極耐負(fù)電壓能力低等三個(gè)特性，使得碳化硅MOSFET更易觸發(fā)串?dāng)_行為，更加容易發(fā)生誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。

以下表格為硅IGBT/ MOSFET和碳化硅MOSFET的具體參數(shù)和性能數(shù)值對(duì)比。

硅MOSFET和IGBT的門極耐負(fù)壓極限可達(dá)-30V, 而碳化硅MOSFET只有-8V, 碳化硅MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓負(fù)值的忍耐能力明顯低于硅 MOSFET和IGBT，使得碳化硅MOSFET在實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓通常在-2～-4V的水平，使用負(fù)電壓進(jìn)行關(guān)斷的幅度明顯少于硅MOSFET和IGBT。

碳化硅MOSFET的開(kāi)啟電壓Vgs(th)是1.8V～2.7V，比硅MOSFET和IGBT的開(kāi)啟電壓Vgs(th)要低一半，Vgs(th)越低，越容易誤開(kāi)通，而且Vgs(th)會(huì)隨著TJ溫度上升而下降，所以在高溫時(shí)，Vgs(th)將變得更低，也更容易導(dǎo)致誤開(kāi)通。

同時(shí)，碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)速度是硅MOSFET和IGBT的兩倍以上，而串?dāng)_電流Igd=Cgd×（dv/dt），dv/dt越大，Igd越大，越容易誤開(kāi)通。

綜上所述，碳化硅MOSFET容易發(fā)生誤開(kāi)通現(xiàn)象。為降低誤開(kāi)通風(fēng)險(xiǎn)，在碳化硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路中加入米勒鉗位功能顯得尤為重要。如下圖所示，門極驅(qū)動(dòng)芯片的米勒鉗位管腳直接連接到碳化硅MOSFET的門極，串?dāng)_電流Igd（如下圖紅線）會(huì)流經(jīng)Ciss→Rg→Q3再到負(fù)電源軌，形成了一條更低阻抗的門極電荷泄放回路。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部比較器的翻轉(zhuǎn)電壓閾值為2V（相對(duì)芯片對(duì)地電壓），在碳化硅 MOSFET關(guān)斷期間，當(dāng)門極電壓高于2V時(shí)，比較器輸出從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，MOSFET (Q3)被打開(kāi), 使得門極以更低阻抗拉到負(fù)電源軌，從而保證碳化硅MOSFET的負(fù)電壓被更有效關(guān)斷，達(dá)到抑制誤開(kāi)通的效果。

二、驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能實(shí)際測(cè)試效果

2.1 在雙脈沖平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，雙脈沖原理如下圖所示:

2.2原理圖說(shuō)明：

上管(B)作為開(kāi)關(guān)管接收脈沖PWM信號(hào)，下管(DUT)處于關(guān)斷狀態(tài)，下管(DUT)靠體二極管續(xù)流負(fù)載電感Lload的電流。

在上管(B)開(kāi)通狀態(tài)下，下管(DUT)發(fā)生串?dāng)_行為時(shí)，由于米勒現(xiàn)象的存在，門極電壓將會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。因此，我們可以通過(guò)觀察下管(DUT)門極電壓的波動(dòng)大小來(lái)判斷米勒鉗位功能的作用。

如圖是驅(qū)動(dòng)電路原理圖，驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)為BTD5350MCWR，是一款帶米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片，碳化硅MOSFET型號(hào)為B2M040120Z, 規(guī)格1200V/ 40mΩ，封裝TO-247-4。

2.3雙脈沖測(cè)試平臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3.1 測(cè)試條件：上管VGS=0V/+18V；下管VGS=0V；Vbus=800V；ID=40A；

Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無(wú)米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

有米勒鉗位功能,上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實(shí)測(cè)波形可知，當(dāng)采用0V關(guān)斷下管且無(wú)米勒鉗位時(shí)，下管門極電壓被抬高到7.3V，下管被誤開(kāi)通，直流母線短路直通；

當(dāng)采用0V關(guān)斷下管且有米勒鉗位時(shí)，下管門極電壓被抬高2V，下管沒(méi)有被誤開(kāi)通，米勒鉗位功能抑制效果明顯。

2.3.2測(cè)試條件：

上管VGS=-4V/+18V；

下管VGS=-4V；

Vbus=800V；ID=40A；Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無(wú)米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實(shí)測(cè)波形可知，當(dāng)采用-4V關(guān)斷下管且無(wú)米勒鉗位時(shí)，下管門極電壓被抬高到2.8V，在開(kāi)啟電壓附近，存在一定的誤開(kāi)通風(fēng)險(xiǎn)，特別是在高溫時(shí)，MOSFET的開(kāi)啟電壓會(huì)降低，將增加誤開(kāi)通的風(fēng)險(xiǎn)；

當(dāng)采用-4V關(guān)斷下管且有米勒鉗位時(shí)，下管門極電壓有被抬高，但下管仍是處于負(fù)電壓關(guān)斷狀態(tài)，米勒鉗位功能抑制效果明顯，MOSFET無(wú)誤開(kāi)通的風(fēng)險(xiǎn)。

三、帶米勒鉗位的門極驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品推薦：BTD25350

BTD25350是基本半導(dǎo)體自主研發(fā)、采用電容隔離雙通道帶米勒鉗位，專為碳化硅MOSFET門極驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的一款驅(qū)動(dòng)芯片。

產(chǎn)品特點(diǎn)

原邊帶使能禁用管腳DIS，死區(qū)時(shí)間設(shè)置管腳DT

輸出拉灌峰值電流4A/6A

副邊帶米勒鉗位功能

輸出峰值電壓可達(dá)10A

電源全電壓高達(dá)33V

原副邊封裝爬電間距大于8.5mm，絕緣電壓可達(dá)5000Vrms

副邊兩驅(qū)動(dòng)器爬電間距大于3mm，支持VDC=1850V母線工作電壓

采用SOW-18寬體封裝

副邊電源欠壓保護(hù)閾值為8V和11V

應(yīng)用方向

充電樁中后級(jí)LLC用碳化硅MOSFET方案

光伏儲(chǔ)能BUCK-BOOST中碳化硅MOSFET方案

高頻APF用兩電平的三相全橋碳化硅MOSFET方案

空調(diào)壓縮機(jī)三相全橋碳化硅MOSFET方案

車載OBC后級(jí)LLC中的碳化硅MOSFET方案

服務(wù)器交流側(cè)圖騰柱PFC高頻臂可采用氮化鎵HEMT或碳化硅MOSFET方案

功能框圖

產(chǎn)品列表

結(jié) 論

綜上，在驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET時(shí)引入米勒鉗位功能非常必要，采用基本半導(dǎo)體自研的BTD25350MM驅(qū)動(dòng)芯片能夠高效可靠地抑制誤開(kāi)通，該驅(qū)動(dòng)芯片目前被廣泛應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能、充電樁、車載OBC、服務(wù)器電源等領(lǐng)域中。大家在使用碳化硅MOSFET進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，為規(guī)避誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，建議選擇BTD25350驅(qū)動(dòng)芯片系列產(chǎn)品。

關(guān)于基本半導(dǎo)體

深圳基本半導(dǎo)體有限公司是中國(guó)第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新企業(yè)，專業(yè)從事碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。公司總部位于深圳，在北京、上海、無(wú)錫、香港以及日本名古屋設(shè)有研發(fā)中心和制造基地。公司擁有一支國(guó)際化的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，核心成員包括二十余位來(lái)自清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、英國(guó)劍橋大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院等國(guó)內(nèi)外知名高校及研究機(jī)構(gòu)的博士。

基本半導(dǎo)體掌握碳化硅核心技術(shù)，研發(fā)覆蓋碳化硅功率半導(dǎo)體的材料制備、芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)兩百余項(xiàng)，核心產(chǎn)品包括碳化硅二極管和MOSFET芯片、汽車級(jí)碳化硅功率模塊、功率器件驅(qū)動(dòng)芯片等，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，服務(wù)于光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的全球數(shù)百家客戶。

基本半導(dǎo)體是國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)，承擔(dān)了國(guó)家工信部、科技部及廣東省、深圳市的數(shù)十項(xiàng)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，與深圳清華大學(xué)研究院共建第三代半導(dǎo)體材料與器件研發(fā)中心，是國(guó)家5G中高頻器件創(chuàng)新中心股東單位之一，獲批中國(guó)科協(xié)產(chǎn)學(xué)研融合技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)體系第三代半導(dǎo)體協(xié)同創(chuàng)新中心、廣東省第三代半導(dǎo)體碳化硅功率器件工程技術(shù)研究中心。