如何優(yōu)化SiC柵級驅(qū)動電路？

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對于高壓開關(guān)電源應(yīng)用，碳化硅或 SiC MOSFET 與傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 相比具有顯著優(yōu)勢。SiC MOSFET 很好地兼顧了高壓、高頻和開關(guān)性能優(yōu)勢。它是電壓控制的場效應(yīng)器件，能夠像 IGBT 一樣進(jìn)行高壓開關(guān)，同時開關(guān)頻率等于或高于低壓硅 MOSFET 的開關(guān)頻率。之前的文章中，我們介紹了SiC MOSFET 特有的器件特性。今天將帶來本系列文章的第二部分SiC柵極驅(qū)動電路的關(guān)鍵要求和NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動器的基本功能。

分立式 SiC 柵極驅(qū)動

為了補(bǔ)償?shù)驮鲆娌?shí)現(xiàn)高效、高速開關(guān)，SiC 柵極驅(qū)動電路需要滿足以下關(guān)鍵要求：

1. SiC MOSFET 的最大/最小 V_GS 是不對稱的，在 +25 V/-10 V 范圍附近。柵極驅(qū)動電路必須能夠提供接近 35 V 的全范圍（即 V_GS 擺幅）電壓，以便充分利用 SiC 的性能優(yōu)勢。大多數(shù) SiC MOSFET 在 -5 V > V_GS > 20 V 的驅(qū)動電壓下表現(xiàn)最佳。為了覆蓋更多的 SiC MOSFET，柵極驅(qū)動電路應(yīng)能承受 V_DD = 25 V 和 V_EE = -10 V

2. V_GS 必須具有快速的上升沿和下降沿（約幾納秒）

3. 在整個米勒平臺區(qū)域，必須能夠提供約幾安培的峰值柵極電流

4. 當(dāng) V_GS 降至米勒平坦區(qū)域以下時，需要提供極低阻抗的下拉或“鉗位”，灌電流能力即由這一需求決定。灌電流額定值應(yīng)超過用于對 SiC MOSFET 的輸入電容進(jìn)行放電所需的電流。10 A 數(shù)量級的最小峰值灌電流額定值被視為適合覆蓋高性能半橋電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5. V_DD 欠壓鎖定 (UVLO) 電平必須在不滿足 V_GS > ~16 V 的條件才開始切換

6. 必須有 V_EE UVLO 監(jiān)控能力來確保負(fù)電壓軌在可接受范圍內(nèi)

7. 必須具有能夠檢測、故障報告和保護(hù)的去飽和功能，以確保 SiC MOSFET 的長期可靠運(yùn)行

8. 低寄生電感以支持高速開關(guān)

9. 驅(qū)動器封裝應(yīng)較小，可以安裝在盡可能靠近 SiC MOSFET 的位置

為了驅(qū)動 SiC MOSFET 高效、可靠地工作，需要非常特定類型的柵極驅(qū)動器。然而，目前業(yè)界展示的大多數(shù)參考設(shè)計都是基于使用通用低邊柵極驅(qū)動器而設(shè)計的。一個這樣的例子如圖 8 所示。

圖 8.標(biāo)準(zhǔn)低邊驅(qū)動器、SiC 分立式柵極驅(qū)動器設(shè)計示例

所示電路相對于地是浮動的，因此它可以用作低邊或高邊參考柵極驅(qū)動器。對于任何一種情況，如果出現(xiàn)功率級故障，都需要隔離以保護(hù)控制電路免受功率級高壓的影響。使用了兩個隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其中 PS1 提供 V_DD = 24 V（后調(diào)節(jié)至 20V），而 PS2 則配置為調(diào)節(jié) V_EE = -5 V。這兩個轉(zhuǎn)換器用于提供 V_DD 和 V_EE 電壓軌。還應(yīng)該提到的是，這些轉(zhuǎn)換器專用于驅(qū)動單個 SiC 負(fù)載，因此每個 SiC 負(fù)載需要兩個。對于高邊柵極驅(qū)動應(yīng)用尤其如此，例如半橋、全橋或電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的上部開關(guān)。主驅(qū)動器上的電壓 U₁ 會浮動數(shù)百伏，并且非常容易受到與開關(guān) SiC MOSFET 相關(guān)的高 dV/dt 的影響。假設(shè) dV/dt=100 V/ns，PS1（或 PS2）變壓器隔離柵上的雜散寄生電容僅為 1 pF，會產(chǎn)生 100 mA 的峰值電流。100 mA/pF 意味著需要低寄生電容、低雜散電感以及 V_EE（和 V_DD）電壓軌和柵極驅(qū)動器 IC 之間的緊密耦合。

數(shù)字隔離器 U₂ 將柵極驅(qū)動信號與功率級隔離開來，并提供必要的電平轉(zhuǎn)換。之后，U₂ 的次級側(cè)用作主驅(qū)動器 U₁ 的輸入。U₁ 是通用的低邊柵極驅(qū)動器，但額定值必須能夠處理全 V_GS 25 V 的電壓擺幅 (-5 V < V_GS < 20 V) 并提供所需的拉電流/灌電流能力。由于大多數(shù)通用低邊柵極驅(qū)動器的額定最大 V_DD = 20 V，可能無法提供足夠的拉電流/灌電流，并且可能無低電感封裝可用，可能僅限于幾個特定的選擇。

這些類型的柵極驅(qū)動器旨在驅(qū)動硅 MOSFET，從這個角度來看，它們無法滿足 SiC MOSFET 所需的幾個重要要求。例如，這些柵極驅(qū)動器沒有過流故障報告或 DESAT 監(jiān)控功能。此外，通用柵極驅(qū)動器的 UVLO 閾值通?；?5 V < V_DD < 12 V。這可能是有問題的，因?yàn)椤鞍踩摹盫_DD SiC MOSFET 的工作電平約為啟動時 V_DD > ~16 V。并且，沒有 UVLO 監(jiān)控用于 V_EE 電壓軌，如圖 8 參考設(shè)計中所示。標(biāo)準(zhǔn)低邊驅(qū)動器、SiC 分立式柵極驅(qū)動器設(shè)計示例。這些電壓軌需要在別處進(jìn)行監(jiān)控，以確保在導(dǎo)通期間將 SiC MOSFET 驅(qū)動到低電阻狀態(tài)，以及在關(guān)斷期間將柵極保持在負(fù)電壓水平。

雖然圖 8 所示的解決方案提供驅(qū)動 SiC MOSFET 的必要功能，但它是不完整的，至少根據(jù)分立式 SIC 柵極驅(qū)動部分開頭所述的柵極驅(qū)動要求是如此。盡管如此，由于沒有專用的 SiC 驅(qū)動器，目前大多數(shù) SiC 柵極驅(qū)動電路都是這樣設(shè)計的。DESAT、電壓軌監(jiān)控、工作次序等任何附加功能要么由附加專用電路處理，要么全部忽略。

NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動器

NCP51705 是一種 SiC 柵極驅(qū)動器，具有高度的靈活性和集成性，使其與市場上的任何 SiC MOSFET 完全兼容搭配使用。如圖 9 所示，NCP51705 頂層框圖包括通用柵極驅(qū)動器常見的許多基本功能，包括：

1. 高達(dá) 28 V 的 V_DD 正電源電壓

2. 高峰值輸出電流（6 A 灌電流 和 10 A 拉電流）

3. 內(nèi)部 5 V 參考電壓可用于偏置 5 V、高達(dá) 20 mA 的低功率負(fù)載（數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器 等）

4. 獨(dú)立的信號地和電源地

5. 獨(dú)立的灌、拉電流引腳

6. 內(nèi)部熱關(guān)斷保護(hù)

7. 獨(dú)立的同相和反相 TTL、PWM 輸入

圖 9.NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動器框圖

此外，NCP51705 具備使用最少的外部組件設(shè)計可靠的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動電路所必需的幾個獨(dú)特特性（在分立式 SIC 柵極驅(qū)動部分的開頭列出）。NCP51705 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

過流保護(hù) - DESAT

NCP51705 DESAT 功能的實(shí)現(xiàn)只需使用兩個外部組件。如圖 10 所示，通過 DESAT 引腳的 R₁ 和 D₁ 監(jiān)測 SiC MOSFET, Q₁ 的漏極-源極電壓。

圖 10.NCP51705 DESAT 功能

在 Q₁ 關(guān)斷期間，漏極-源極端子可能出現(xiàn)幾百伏電壓。一旦 Q₁ 導(dǎo)通，漏極-源極電壓迅速下降，預(yù)計在不到幾百納秒的時間內(nèi)就會發(fā)生從高電壓到接近零電壓的轉(zhuǎn)變。在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間，DESAT 信號前沿被一個 500 納秒計時器消隱，該計時器連接一個 5 Ω 的低阻抗下拉電阻。這使 V_DS 有足夠的時間下降，同時確保 DESAT 不會意外觸發(fā)。500 納秒過后，DESAT 引腳被計時器釋放，200 mA 電流源通過 R₁、D₁ 和 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻提供恒定電流。在導(dǎo)通時間內(nèi)，如果 因?yàn)榘l(fā)生短路故障使得DESAT 引腳上升到 7.5 V 以上，則 DESAT 比較器輸出會升高，從而觸發(fā) RS 觸發(fā)器的時鐘輸入。這種短路故障將逐個周期自動終止 Q_NOT 輸出的后沿。SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓將被迅速降低， 降低的速度和功率器件去飽和故障時間成比例。

200 mA 電流源足以確保 D₁ 的正向壓降，同時也使 R₁ 的壓降能夠在 SiC MOSFET 導(dǎo)通期間獨(dú)立于 V_DS。如果需要，可通過將 DESAT 引腳接地來禁用 DESAT 保護(hù)。相反，如果 DESAT 引腳處于浮動狀態(tài)，或者 R₁ 失效斷路，則200 mA 電流源會流經(jīng) 20 kΩ 電阻器并在 DESAT 比較器的同相輸入端施加恒定的 4 V 電壓。這種條件下，基本上禁用了 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動。還有一些應(yīng)用可能傾向于使用電流檢測變壓器來檢測漏極電流，并從外部驅(qū)動 DESAT 引腳。在這種情況下，NCP51705 包括一個 IC 選購型號，移除 了20 kΩ 電阻器，使 DESAT 引腳可以用作傳統(tǒng)的逐脈沖、過電流保護(hù)功能。

DESAT 引腳上的電壓 V_DESAT 由公式 (6) 確定為：

為 I_D 確定最大值（留出額外的設(shè)計裕度）后，選擇 R₁ 和 I_D，使 V_desat < 7.5 V。重新排列公式 (6) 并求解 R₁ 得出：

除了設(shè)置允許的最大 V_DESAT 電壓外，R₁ 還具有限制通過 D₁ 結(jié)電容的瞬時電流大小的雙重目的。因?yàn)?SiC MOSFET 的漏極電壓變化率 dV/dt 極高，如果 R₁ 的大小不合適，通過 D₁ 的 p-n 結(jié)電容的電流可能會變得非常高。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇具有最低結(jié)電容的快速恢復(fù)高壓二極管。R₁ 的典型值將接近 5 kΩ< R₁ < 10 kΩ 的范圍，這會根據(jù)所選 SiC MOSFET 的 I_d 和 R_ds 參數(shù)而發(fā)生變化。如果 R₁ 遠(yuǎn)小于 5 kΩ，進(jìn)入 DESAT 引腳的瞬時電流可能為數(shù)百毫安。相反，如果 R₁ 遠(yuǎn)大于 10 kΩ，則 RC 延遲為 R₁ 和 Di 結(jié)電容的乘積。延遲可為 100 μs 量級，從而導(dǎo)致應(yīng)對 DESAT 故障的額外延遲時間。

電荷泵 - V_EE (VEESET)

NCP51705 使用單一的正電源電壓運(yùn)行。從單一 V_DD 電源電壓運(yùn)行意味著必須由柵極驅(qū)動器 IC 自身產(chǎn)生負(fù) V_EE 電壓。使用開關(guān)電容電荷泵是產(chǎn)生所需負(fù) V_EE 電壓軌的必然選擇。構(gòu)建電荷泵有許多不同的選擇。主要挑戰(zhàn)是在瞬態(tài)條件下保持準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié)，以一定的頻率開關(guān)以減小電容量，并最大限度地減少外部組件數(shù)量，從而降低成本并提高可靠性。

從圖 11 所示的電荷泵功能框圖可以看出，只需三個外部電容即可建立負(fù) V_EE 電壓軌。電荷泵功率級基本上由兩個 PMOS 開關(guān)和兩個 NMOS 開關(guān)組成，這些開關(guān)以橋式結(jié)構(gòu)排列。

圖 11.NCP51705 V_ee 電荷泵

如圖所示，外部飛跨電容 C_F 連接在兩個半橋橋臂的中點(diǎn)之間。開關(guān)時序是這樣的：每當(dāng)兩個上部 PMOS 器件同時導(dǎo)通時， V_DD電壓會施加在C_F兩端。同樣，每當(dāng)兩個下部 NMOS 器件同時導(dǎo)通時，-V_EE 會施加在C_F。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為 390 kHz，兩個上部 PMOS 器件與兩個下部 NMOS 器件異步切換。290 kHz 的 IC 選購型號也可用于需要較低電荷泵開關(guān)頻率的應(yīng)用。

V_EE 被調(diào)節(jié)到 V_CH 處 的電壓，該V_CH 處電壓由 通過VEESET 可編程的內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 電壓決定。VEESET 上的電壓會改變內(nèi)部 LDO 看到的增益 (G_LDO)。如果 VEESET 被懸空（建議使用從 VEESET 到 SGND 的 100?pF 旁路電容），則 V_ee 設(shè)置為 ?3 V 的驅(qū)動電壓。如果需要 ?5 V的驅(qū)動電壓，VEESET 引腳應(yīng)直接連接到 V5V（引腳 23）。如果 VEESET 連接到 9 V 和 V_dd 之間的任何電壓，則 V_EE 被箝位并設(shè)置為 ?8 V 。當(dāng) V_DD > 7.5 V 時，電荷泵啟動，VEE 電壓軌的電路部分包括一個內(nèi)部固定的 UVLO，設(shè)置為 V_EE 設(shè)定值的 80%。由于 V_DD 和 V_EE 均由獨(dú)立的 UVLO 電路監(jiān)控，所以NCP51705 足夠智能，對于給定的SiC MOSFET可以使得兩個電壓軌都保持在安全范圍內(nèi)。

或者，通過完全禁用電荷泵，可以實(shí)現(xiàn) 0 V < OUT < V_DD 輸出。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時，電荷泵被禁用。當(dāng)電荷泵被禁用且 V_EE 直接與 PGND 相關(guān)聯(lián)時，輸出在 0 V < OUT < V_DD 之間切換。需要注意的是，每當(dāng) VEESET 與 SGND 相關(guān)聯(lián)時，V_EE 必須與 PGND 相關(guān)聯(lián)。在此工作模式期間，內(nèi)部 V_EE UVLO 功能也相應(yīng)禁用。

另一種可能的配置是禁用電荷泵，但允許使用外部負(fù) V_EE 電壓軌。此選項(xiàng)允許 -V_EE < OUT < V_DD 輸出，因?yàn)殡姾杀梦垂ぷ?，所以?IC 功耗方面略有節(jié)省。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時，外部負(fù)電壓軌可以直接在 V_EE 和 PGND 之間連接。請注意，由于 VEESET 為 0 V，內(nèi)部 V_EE UVLO 被禁用，因此 NCP51705 不知道 V_EE 電壓水平是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

這種簡單的 VEESET 調(diào)整能夠使用最少的外部組件實(shí)現(xiàn)最高程度的靈活性，同時滿足最廣泛的 SiC MOSFET 電壓要求。為了方便起見，表 3 中總結(jié)了 VEESET 的可配置性。

表 3. 半導(dǎo)體材料屬性

可編程欠壓鎖定 - UVSET

用于柵極驅(qū)動器 IC 的 UVLO 對于保護(hù) MOSFET 至關(guān)重要，其工作原理是禁用輸出，直到 V_DD 高于已知閾值。這不僅可以保護(hù)負(fù)載，而且可以向控制器確認(rèn)施加的 V_DD 電壓高于導(dǎo)通閾值。由于與 SiC MOSFET 相關(guān)的低 gm 值，最佳導(dǎo)通閾值的UVLO并非“一刀切”。允許驅(qū)動器輸出在較低的 V_DD 下開關(guān)，可能對某個 SiC MOSFET 不利，但根據(jù)散熱片、散熱器和 V_DD 啟動時間，對另一個 SiC MOSFET 而言可能是可接受的。最佳 U導(dǎo)通閾值的UVLO也會根據(jù) V_DD 電壓軌的產(chǎn)生方式而發(fā)生變化。一些電源系統(tǒng)可能有一個專用的偏壓電源，而其他系統(tǒng)則可能依賴于類似于圖 13 的 V_DD 自舉技術(shù)。

NCP51705 通過可編程 UVLO 導(dǎo)通閾值解決了這一需求，該閾值可通過 UVSET 和 SGND 之間的單一電阻器設(shè)置。如圖 12 所示，UVSET 引腳由 25?μA 電流源內(nèi)部驅(qū)動，串聯(lián)增益為 6。

UVSET 電阻器 R_UVSET 根據(jù)公式 (8) 中定義的所需 導(dǎo)通電壓UVLO進(jìn)行選擇。

圖 12.NCP51705 UVSET 可編程 UVLO

V_ON 值通常由 SiC MOSFET 輸出特性曲線決定，如圖 1 中突出顯示的曲線。由于 即使 V_GS 略有降低，SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻也會顯著增加，因此允許的 UVLO 滯后必須很小。因此，NCP51705 具有固定的 1-V 遲滯，關(guān)斷電壓 V_OFF 始終比設(shè)置的 V_ON 低 1 V。

對于包含專用偏壓電源的電源，在電源系統(tǒng)因故障恢復(fù)而啟動軟啟動或重啟之前，一般認(rèn)為V_DD 高于所需的 V_ON 閾值。對于此類系統(tǒng)，1-V UVLO 遲滯是必要的，并且不會因啟動條件而產(chǎn)生任何影響。然而，一些電源系統(tǒng)從高電壓取電，然后依賴于自舉電路和變壓器繞組的 V_DD產(chǎn)生方式如圖 13 所示。

圖 13.PWM 自舉啟動示例

圖中顯示了具有高電壓 (HV) 啟動能力以及 V_ON = 17 V 和 V_OFF = 9 V 的固定 UVLO 閾值的 PWM 控制器。施加 HV 時，當(dāng) HV = V_ON = 17 V，內(nèi)部通道開關(guān)打開，PWM 控制器從 C_VCC 汲取啟動電流。在此期間，C_VCC 正在放電，Q₁ 必須開始切換，以在變壓器自舉繞組中建立電壓。這對可允許的V_ON 電壓（該電壓可從 R_UVSET 編程）施加了限制。UVSET 必須設(shè)置為小于 PWM 控制器的 UVLO V_ON 的值。圖 14 進(jìn)一步說明了這些啟動細(xì)節(jié)，其中 PWM 電壓閾值顯示為藍(lán)色，NCP51705 顯示為紅色。

圖 14.自舉啟動時序

為了以盡可能高的 V_GS 開關(guān) SiC MOSFET，需要將 V_ON 設(shè)置為盡可能接近 PWM 控制器的導(dǎo)通UVLO。比如，在 Δt (t₂-t₁) 期間 ΔV = 1 V。這表明C_VCC 的放電非常淺，因此需要較大的電容值。例如，假設(shè)啟動電流為 1 mA，Δt = 3 ms 且 ΔV = 1 V，則需要 3-μF 的C_VCC 電容。相反，如果 V_ON 設(shè)置為比最小自舉放電電壓 V_BOOT(MIN) 高 1 V，則意味著允許 C_VCC 在更寬的 ΔV (17 V - 11 V) 范圍內(nèi)放電，因此可以使用更小的電容值。給定相同的 1 mA，Δt = 3 ms 且允許 ΔV = 6 V，所需的 C_VCC 電容值降低至 500 nF；減少了 6 倍。然而，由于 SiC MOSFET 將在 V_GS = 11 V 的情況下開關(guān)，因此所產(chǎn)生的影響可能很大。顯然，在啟動前給 NCP51705 提供一個偏置電壓是首選方法。

數(shù)字同步和故障報告 - XEN

XEN 信號是由 和柵極驅(qū)動信號V_GS 反相的 5 V 數(shù)字表示。為了報告驅(qū)動器“狀態(tài)”，PWM 輸入被認(rèn)為更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼇碜詢?nèi)部 SiC 柵極電壓發(fā)生電路，傳輸延遲很低。此信號可以在半橋電源拓?fù)渲杏米鞴收蠘?biāo)志和同步信號，為實(shí)施交叉導(dǎo)通(cross-conduction)保護(hù)提供基準(zhǔn)。每當(dāng) XEN 為高、V_GS 為低時，則 SiC MOSFET 為關(guān)斷狀態(tài)。因此，如果 XEN 和 PWM 輸入信號均為高，則檢測到故障狀態(tài)，這個故障信號可以靈活運(yùn)用來實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。

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