SiC功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)器電路優(yōu)化?

隨著新型功率晶體管（例如 SiC Mosfets）越來越多地用于電力電子系統(tǒng)，因此有必要使用特殊的驅(qū)動(dòng)器。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器通過提供對(duì) IGBT 和 MOSFET 的可靠控制，旨在滿足 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化鎵）等技術(shù)所需的最高開關(guān)速度和系統(tǒng)尺寸限制。架構(gòu)的演變可以滿足新的效率水平和時(shí)序性能的穩(wěn)定性，從而減少電壓失真。ROHM Semiconductor 是基于碳化硅 (SiC) 技術(shù)的功率器件的參考點(diǎn)

為什么使用 SiC MOSFET

碳化硅技術(shù)可以提供多種優(yōu)勢(shì)（圖 1）。

圖 1：采用 SiC 技術(shù)帶來的好處

First, we have a lower intrinsic resistance of the material, which allows having a smaller dice and ultimately smaller packages. This is a critical factor for complex components such as power devices, which generally include several layers in a bridge configuration. Moreover, a smaller die helps to optimize the internal layout better and reduces the parasitic capacitance. A second benefit involved in SiC technology is a higher operative frequency. Higher working frequency, achievable through a better dynamic of the material and higher switching rate, allows reducing the size of passive components (coil inductors, filters, and transformers), the ripple and in some cases also the input and output capacitance. A third benefit is related to the higher operative temperature, due to the higher working temperature of SiC material (that can reach up to two hundred degrees) and its better conductivity. Based on this, we can downsize the heat sink or, in some cases, simplify the cooling system. Sometimes it is even possible to migrate from liquid to forced air cooling system.

SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

更高的柵極電壓

第一點(diǎn)與更高的柵極電壓有關(guān)。圖 2 顯示了不同功率器件之間的比較：碳化硅 (SiC) MOSFET、功率 MOSFET 和硅 IGBT。

圖2：不同功率器件對(duì)比

從輸出特性（指不同的制造商）我們可以觀察到電壓電平存在很大的可變性。ROHM SiC MOSFET 現(xiàn)在是第三代，具有18V的典型柵源電壓 (V GS )。我們現(xiàn)在有興趣檢查如果我們以不正確的電壓電平驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 會(huì)發(fā)生什么：我們將從 18V 開始，逐漸將電壓降低到 16V、14V 甚至更低。這方面很重要，因?yàn)楝F(xiàn)場也可能發(fā)生電壓下降，這是由電源電壓變化或其他因素引起的。在實(shí)驗(yàn)室中使用圖 3 所示的設(shè)置進(jìn)行了測(cè)試。

圖 3：測(cè)試設(shè)置

測(cè)量電路基于輸出功率為 5 kW 的升壓器配置。從18V的 V GS開始，電壓逐步降低到 14V 以下。在 13.4V 時(shí)，測(cè)試停止。測(cè)試結(jié)果如圖 4 所示：正如預(yù)期的那樣，R ds(on) 隨著柵極電壓的降低而增加。在 14V 左右（指被測(cè)器件），我們可以觀察到溫度急劇升高，必須在擊穿（由于熱失控）發(fā)生之前盡快停止測(cè)試。

圖 4：R ds(on)和柵極電壓

這種現(xiàn)象是眾所周知的，因?yàn)?R ds(on)溫度系數(shù)在 12V 到 14V 附近反轉(zhuǎn)其符號(hào)。在 18V 時(shí)，溫度系數(shù)為正：這意味著溫度升高，R ds(on)會(huì)增加。然而，在低柵極電壓下，溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高，R ds(on)減小。為避免熱失控，某些類別的 SiC MOSFET 要求最低柵極電壓為 14V。

另一個(gè)大問題是如何正確驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 以及我們是否可以為此使用硅 MOSFET。例如，考慮圖 5 的電源原理圖。輸入電壓為 700-1000 VDC 時(shí)，很難應(yīng)用硅 MOSFET，無論如何，我們應(yīng)該使用兩個(gè)串聯(lián)的 MOSFET 來滿足所涉及的電壓電平這個(gè)應(yīng)用程序。MOSFET可以承受的最大電壓很容易達(dá)到1350V或更高（1000V最大輸入電壓，加上反射電壓加上雜散電感產(chǎn)生的浪涌電壓）。

圖 5：用硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET。具有三相輸入的 QR 反激式轉(zhuǎn)換器

我們可以只使用一個(gè)碳化硅 MOSFET（例如 1700V 類型）而不是使用兩個(gè)硅 MOSFET，但是如何驅(qū)動(dòng)它呢？答案是我們需要的是專門的IC。ROHM BD7682FJ 是市場上第一款針對(duì)碳化硅 MOSFET 進(jìn)行優(yōu)化的 IC。它具有 18V 的柵極鉗位（避免在危險(xiǎn)電壓以上工作）、14V 的欠壓鎖定 (UVLO)、軟啟動(dòng)（有助于減少柵極脈沖）和廣泛的保護(hù)功能列表。

更快的換向

關(guān)于 IGBT 晶體管，眾所周知，碳化硅 MOSFET 具有更好的動(dòng)態(tài)，這意味著換向速度更快。SiC MOSFET 有幾十納秒的換向，而 IGBT 有幾百納秒的換向。為了實(shí)現(xiàn)這種快速換向，我們必須在更短的時(shí)間內(nèi)提供總柵極電荷。這意味著我們?cè)跂艠O驅(qū)動(dòng)器中需要更高的峰值電流。高多少？如圖 6 所示，至少需要相同電流的 IGBT，或者更多。

更快的換向也意味著更高的 dV/dt。dV 和 dt 都可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如圖 7 所示的示例，其中比較了 IGBT 和 Sic MOSFET 的開關(guān)時(shí)間。如圖所示，需要具有至少等于或大于每納秒 100V 的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖 6：與 IGBT 相比，SiC MOSFET 的開關(guān)速度更快。由于開關(guān)時(shí)間更快，SiC MOSFET 需要具有更高峰值電流的柵極驅(qū)動(dòng)器

下限

IGBT MOSFET 的閾值約為 +5V 或更高，而對(duì)于碳化硅 MOSFET，該技術(shù)允許具有較低的閾值，約為 +1 或 +2V（參見圖 8）。此外，由于閾值電壓的負(fù)溫度系數(shù)，該閾值隨著溫度升高而降低。因此，在柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，我們需要注意這方面，因?yàn)闁艠O上的噪聲可能很危險(xiǎn)。我們?nèi)绾慰刂圃肼暡⑾纳?yīng)？第一步與PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。一個(gè)好的 PCB 設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少以下參數(shù)：

從 OUT 到柵極再到電容器的走線阻抗；

從 GND 到源極再到電容器的走線阻抗；

高電流路徑的面積。在圖 8 中，打開路徑顯示為紅色，而關(guān)閉路徑顯示為綠色。

圖 7：較低的閾值涉及干凈且低寄生的 PCB 布局

第二步與米勒鉗位有關(guān)。讓我們考慮典型的半橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)打開半橋的上側(cè) MOSFET 時(shí)（M2：關(guān) → 開），電壓變化 VDS 會(huì)發(fā)生在下開關(guān)上。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流 (I_Miller)，為下部 MOSFET 的寄生電容 C 充電（圖 9）。該電流流經(jīng)米勒電容、柵極電阻和 C GS電容。更快的 V DS 從低切換到高。如果柵極電阻上的壓降超過較低 MOSFET 的閾值電壓，則會(huì)發(fā)生寄生導(dǎo)通，稱為“米勒效應(yīng)”（M1 導(dǎo)通）。

圖 8：MOSFET 半橋中出現(xiàn)的米勒效應(yīng)

可以通過兩種方式避免米勒效應(yīng)。一種是用于保持 MOSFET 關(guān)閉的負(fù)電源 (VEE)。第二個(gè)是有源米勒鉗位，如圖 10 所示。該解決方案包括添加第三個(gè)內(nèi)部 MOSFET (M3)，連接到驅(qū)動(dòng)器電路中的最低電位。當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，鉗位開關(guān)會(huì)在柵極電壓降至某個(gè)水平以下時(shí)激活，以確保 MOSFET 在任何接地反彈事件或 dV DS /dt 瞬變期間保持關(guān)閉。如圖 10 所示，有源米勒鉗位可以通過將柵極直接鉗位到地或負(fù)電源來減少 VGS 的增加。

圖 9：有源米勒鉗位

第三步與柵極電壓振蕩有關(guān)。正如您在圖 10 中看到的，振蕩可以是正的也可以是負(fù)的，從而產(chǎn)生噪聲。在這種情況下，一種行之有效的解決方法是在柵極和源極之間添加一個(gè)電容器以提高 C GD /C GS比率。

圖 10：一個(gè)額外的電容器可以減少柵極電壓振蕩

由于電容器會(huì)影響開關(guān)時(shí)間，因此必須仔細(xì)評(píng)估該解決方案。基于所有提到的考慮，羅姆已經(jīng)推出了專用的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。BM61S40RFV 柵極驅(qū)動(dòng)器具有 14.5V 的欠壓鎖定 (ULVO)、22V 的過壓保護(hù) (OVP)、100V/ns 的 CMTI 和 4A 的輸出電流（在產(chǎn)品路線圖中已計(jì)劃的未來器件中將增加）。因此，SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)可用，由可用于初始測(cè)試的文檔和評(píng)估板提供支持。

結(jié)論

一切的基礎(chǔ)都是布局優(yōu)化。這是要完成的第一步，以避免寄生元件給施加的電壓或電流增加噪聲或尖峰信號(hào)。第二步是必須在所有工作條件下檢查電壓電平和柵極信號(hào)噪聲。第三步是使用專用器件來驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，就像前面提到的那樣，市場上已經(jīng)有售。

審核編輯：劉清