學(xué)技術(shù) | 碳化硅 SIC MOSFET 如何降低功率損耗

SIC MOSFET 作為第三代半導(dǎo)體器件，以其卓越的高頻高壓高結(jié)溫低阻特性，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于功率變換電路。 那么，如何用最有效的方式驅(qū)動碳化硅 MOSFET，發(fā)揮SIC MOSFET的優(yōu)勢，盡可能降低的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，本文以給出了使用 ST 碳化硅 MOSFET 的主要設(shè)計原則，以得到最佳性能。

一，如何減少傳導(dǎo)損耗：

碳化硅 MOSFET 比超結(jié) MOSFET 要求更高的G級電壓，建議使用 +18 V以減少 RDS(on)，從而減少傳導(dǎo)損耗。但是沒有必要使用超過 20 V 的驅(qū)動電壓，ST 第三代SIC MOSFET VGS 可以低至 185V，在 20 A, 25 ℃的情況下 , 會增加 約20％左右的 RDS （on）。 使用負(fù)壓可以更快速的關(guān)斷，從而使開關(guān)損耗最小化。

二，如何減少開關(guān)損耗：

影響開關(guān)損耗的主要因素有：

1，關(guān)斷能量 （Eoff）------取決于 Rg 和 VGS-OFF （負(fù)的柵極電壓）

2，開通能量 （Eon）------取決于 Rg

3，米勒效應(yīng)---------------影響 Eon 和 Err （反向恢復(fù)損耗）

4，柵極驅(qū)動電流

關(guān)斷能量 （Eoff）------取決于 Rg 和 負(fù)的柵極電壓，和SI MOSSET相似，碳化硅 MOSFET 沒有拖尾效應(yīng)，所以關(guān)斷損耗 （Eoff）取決于VDS電壓上升時間和 ID電流下降時間內(nèi)的重疊區(qū)間，為了減少Eoff ,需要盡快從柵極吸取更多的電荷，可以采用減小驅(qū)動電阻Rg 和 增加?xùn)艠O負(fù)電壓 ，負(fù)壓建議-3V左右。

下圖描述了Rg 和Eoff 的關(guān)系：

當(dāng)然，Rg 的大小也會影響Vds 電壓過充，柵極電阻在 1Ω 至 10Ω 范圍內(nèi)變化時， VDS 可相差50 伏，因此，需要優(yōu)化PCB上的寄生電感，即使使用較小的驅(qū)動電阻時，可有足夠的電壓裕量。

使用負(fù)電壓來關(guān)斷 MOSFET 有助于進(jìn)一步減少關(guān)斷損耗，可以增加?xùn)艠O電阻Rg上的壓降，從柵極更快的抽取電荷。對于常規(guī)的柵極電阻值，截止電壓從 0 V 下降到 -5 V，Eoff 能降低 35％到 40％。

開通能量 （Eon）------取決于 Rg： 開通能量也可以通過降低柵極驅(qū)動電阻來降低，當(dāng)柵極電阻在1 至 10Ω 范圍內(nèi)變化時，開通損耗幾乎降低了 40％。但是，較低的能耗必須要考慮EMI，因?yàn)?di / dt 會因低 Rg 值降低而顯著增加，從而使EMC 變差。

米勒效應(yīng)對 開通損耗 Eon 和反向恢復(fù)損耗 Err 的影響：

當(dāng)半橋下管開通時 , 電壓變化 dVDS/dt 發(fā)生在上管MOSFET。這就形成了對上管MOSFET 的寄生電容 CGD 的充電電流，此電流通過米勒電容，柵極電阻和 CGS （電容 CGD和 CGS 形成一個電容分壓電路）。如果在柵極電阻上的電壓降超過了上側(cè) MOSFET 的開啟閾值電壓，則會產(chǎn)生被稱為 “ 米勒導(dǎo)通 ” 或 “ 米勒效應(yīng) ” 的寄生導(dǎo)通，這會影響整個橋臂的開關(guān)損耗。相應(yīng)的，當(dāng)上管 MOSFET 開通時，電流流過低側(cè)開關(guān)的米勒電容時 , 寄生導(dǎo)通也可能會發(fā)生。

反向恢復(fù)損耗 Err 是碳化硅 MOSFET 固有的體二極管導(dǎo)通后消耗的開關(guān)能量。在不存在米勒效應(yīng)的情況下，由于優(yōu)異的碳化硅反向恢復(fù)特性 , 它是可以忽略不計。然而，在米勒導(dǎo)通存在時，反向恢復(fù)能量顯著影響著整個開關(guān)損耗。

使用ST 帶有米勒鉗位功能的驅(qū)動IC可以有效減小米勒效應(yīng)。

對柵極驅(qū)動電流的要求：

開通或關(guān)閉 MOSFET 所需的柵極電流可以通過柵級電荷來計算，柵級電荷可以從datasheet直接讀取。

在任何開關(guān)周期 , 驅(qū)動器必須提供足夠的驅(qū)動電流，當(dāng)驅(qū)動器的拉電流和灌電流能力不足時 , 將影響碳化硅 MOSFET 的開關(guān)性能。推薦使用ST GAP系列驅(qū)動IC。

綜上所述，使用ST 專用的SIC MOSFET 驅(qū)動IC，配合合適的Rg 電阻值，可以得到優(yōu)化的 開通/關(guān)斷/導(dǎo)通 損耗。