SiC MOSFET驅(qū)動電壓的設(shè)置探討

隨著制備技術(shù)的進步，在需求的不斷拉動下，碳化硅(SiC)器件與模塊的成本逐年降低。相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用也得到了極大的加速。尤其在新能源汽車，可再生能源及儲能等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，更是不容小覷。

富昌電子(Future Electronics)一直致力于以專業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶打造個性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。在第三代半導(dǎo)體的實際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)積累和項目經(jīng)驗，落筆于SiC相關(guān)設(shè)計的系列文章。希望以此給到大家一定的設(shè)計參考，并期待與您進一步的交流。

作為系列文章的第一部分，本文將先就SiC MOSFET的驅(qū)動電壓做一定的分析及探討。

ONE

常見的Vgs與Vgs(th)，以及對SiC MOSFET應(yīng)用的影響

驅(qū)動電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)關(guān)系到SiC MOSFET在應(yīng)用過程中的可靠性，功率損耗(導(dǎo)通電阻)，以及驅(qū)動電路的兼容性等。這是SiC MOSFET非常關(guān)鍵的參數(shù)，在設(shè)計過程中需要重點考慮。在不同的設(shè)計中，設(shè)置不同的驅(qū)動電壓會有更高的性價比。下圖1 列出幾個常見廠家部分SiC MOSFET的Vgs與Vgs(th)值作對比。

(圖1-點擊上圖可查看大圖)

TWO

SiC MOSFET驅(qū)動電壓設(shè)置探討

1.驅(qū)動電壓高電平Vgs_on是選擇+12V、+15V、+18V還是+20V?

如圖1所示，SiC MOSFET 驅(qū)動電壓正向最大值在22V~25V左右，推薦的工作電壓主要有+20V,+18V兩種規(guī)格，具體應(yīng)用需要參考不同SiC MOSFET型號的DATASHEET。由下圖2所示，Vgs超過15V時，無論是導(dǎo)通內(nèi)阻還是導(dǎo)通電流逐漸趨于平緩 (各家SiC MOSFET的DATASHEET給出的參考標準不同，有的是Rds(on)與Vgs的曲線，有的是Id與Vgs的曲線)。當然驅(qū)動電壓Vgs越高，對應(yīng)的Rds(on)會越小，損耗也就越小。

富昌設(shè)計小建議：Vgs設(shè)定Vgs時不能超過DATASHEET給定的最大值，否則可能會造成SiC MOSFET永久損壞。

(1)對于推薦使用+18V或+20V 高電平驅(qū)動電壓的SiC MOSFET

由圖1所示，因為新一代SiC MOS工藝的提升，部分SiC MOSFET推薦高電平驅(qū)動電壓為+18V。由下圖2所示，工藝的提升，使得Vgs從+18V到+20V的Rds(on)變化不大，導(dǎo)通損耗差別不明顯。

富昌設(shè)計小建議：最新一代SiC MOSFET建議使用+18V驅(qū)動電壓。對降低驅(qū)動損耗以及減少Vgs過沖損壞更加有益。

(2)對于+15V 高電平可否驅(qū)動SiC MOSFET

在正常情況下，DATASHEET上沒有推薦，不建議使用。但是考慮到與15V驅(qū)動的Si IGBT 兼容，需要經(jīng)過計算導(dǎo)通損耗的增加，設(shè)計有足夠的散熱條件以及考慮到設(shè)備整體損耗時，也可以使用。如下圖2所示為Vgs與Rds(on)的關(guān)系，可知門極電壓越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)會比標稱值大。

富昌設(shè)計小建議：Vgs設(shè)置為+15V時，SiC MOSFET損耗會比標稱值大。

(3)對于+12V 高電平可否驅(qū)動SiC MOSFET

工作原理與+15V驅(qū)動電壓同理，但是應(yīng)用會更少，一般不推薦使用。但是一些特殊應(yīng)用場景，例如在小功率高壓輔助電源應(yīng)用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，客戶在綜合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情況下，是可以使用的。

富昌設(shè)計小建議：Vgs設(shè)置為+12V時，SIC MOSFET損耗會遠遠超過標稱值，計算損耗時應(yīng)參考Vgs=+12V時的Rdson。

(圖2-點擊上圖可查看大圖)

2.驅(qū)動電壓低電平Vgs_off是選擇0V、-3V還是-5V?

驅(qū)動電壓低電平的選擇要比高電平復(fù)雜的多，需要考慮到誤開通。誤開通是由高 速變化的dv/dt，通過米勒電容Cgd耦合到門極產(chǎn)生門極電壓變化，導(dǎo)致關(guān)斷時ΔVgs超過閾值電壓而造成的。因此誤開通不僅和閾值電壓Vgs(th)有關(guān)，還與dv/dt產(chǎn)生的電壓變化有關(guān)。

(1)對于-3V或-5V關(guān)斷電壓如何選擇

首先參考SiC MOSFET的DATASHEET上推薦的關(guān)斷電壓。再考慮門極電壓閾值裕度為

ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 當dv/dt趨于無窮大時，dv/dt產(chǎn)生的門極電壓變化為：

ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss?？芍旈T極電壓閾值裕度ΔVgs_th越大于dv/dt造成的門極電壓變化ΔVgs時，器件Vgs_off安全裕度越大，誤開通風險越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增加。

富昌設(shè)計小建議：綜合考量計算ΔVgs_th 后，在實驗過程中實測ΔVgs，可以進一步提升實際應(yīng)用的穩(wěn)定性和性能。

(2)對于0V關(guān)斷電壓探討

雖然驅(qū)動電壓Vgs為0V時已經(jīng)可以關(guān)斷SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能會導(dǎo)致SiC MOSFET誤導(dǎo)通，導(dǎo)致設(shè)備損壞，故而不推薦使用。當然如果是設(shè)計的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足夠大，并且充分考慮到ΔVgs對SiC MOSFET誤導(dǎo)通的影響下，客戶可以根據(jù)自己的設(shè)計而定。

富昌設(shè)計小建議：重點考慮dv/dt造成的ΔVgs以及環(huán)路等效電感，對誤導(dǎo)通的影響，在設(shè)置Vgs_off=0V時，才能讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

THREE

Vgs(th)漂移帶來的影響，以及影響Vgs(th)的因素

由于寬禁帶半導(dǎo)體SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半導(dǎo)體氧化層界面特性，會引起閾值電壓變化以及漂移現(xiàn)象。為了理解這些差異，解釋這些差異與材料本身特性的關(guān)系，評估其對應(yīng)用、系統(tǒng)的影響，需要更多的研究及探索。

(1)Vth漂移對應(yīng)用的影響

長期來看，對于給定的Vgs, 閾值漂移的主要影響在于會增加Rds(on)。通常來說，增加 Rds(on)會增加導(dǎo)通損耗，進而增加結(jié)溫。在計算功率循環(huán)時，需要把這個增加的結(jié)溫也考慮進去。

富昌設(shè)計小建議：如果開關(guān)損耗占比總損耗較高時，可以忽略Vgs(th) 漂移導(dǎo)致的開通損耗。

(2)Vth漂移對器件的基本功能不會被影響，主要有：

耐壓能力不會受影響;

器件的可靠性等級，如抗宇宙射線能力，抵抗?jié)駳獾哪芰Φ炔粫苡绊?

Vth漂移會對總的損耗有輕微影響;

(3)影響Vth漂移的參數(shù)主要包括：

開關(guān)次數(shù)，包括開關(guān)頻率與操作時間;

驅(qū)動電壓，主要是Vgs_off;

(4)以下參數(shù)對開關(guān)操作引起的Vth漂移沒有影響：

結(jié)溫;

漏源電壓，漏極電流;

dv/dt, di/dt;

FOUR

總結(jié)

本文主要針對驅(qū)動電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)本身對SiC MOSFET在使用過程中的影響做出討論。

在實際應(yīng)用過程中，設(shè)置的Vgs電壓是對設(shè)備的可靠性，功率損耗以及驅(qū)動電路的兼容性等因素的綜合考慮。理論計算只是設(shè)計參考的一部分，也可以考慮實際測量獲得真實的數(shù)據(jù)來修正設(shè)計參數(shù)。實際測量得到的ΔVgs，對設(shè)置Vgs_off會更有參考價值，并且會使得SiC MOSFET應(yīng)用設(shè)計更加穩(wěn)定且充分利用其性能。同時驅(qū)動電壓Vgs的設(shè)置還會受到驅(qū)動電阻Ron與Roff、驅(qū)動電流以及驅(qū)動回路等影響，此處不做展開探討，富昌電子將在后續(xù)連載文章中逐步剖析，敬請期待。

原文標題：SiC設(shè)計干貨分享(一)：SiC MOSFET驅(qū)動電壓的分析及探討

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審核編輯：湯梓紅