碳化硅(SiC)MOSFET在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得重大進(jìn)展，得益于其一系列優(yōu)于硅基開關(guān)的優(yōu)勢，包括更快的開關(guān)速度、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，這也就帶來更小、更輕的設(shè)計。這些優(yōu)勢讓其在一系列汽車和工業(yè)應(yīng)用中尋找到發(fā)展空間。不過，碳化硅等寬禁帶(WBG)器件也帶來了不少設(shè)計挑戰(zhàn)，如電磁干擾(EMI)、過熱和過壓等問題，我們可以通過選擇合適的柵極驅(qū)動器來予以解決。

柵極驅(qū)動器用于驅(qū)動功率器件，因此它是解決功率問題的關(guān)鍵組成部分。要確保碳化硅的優(yōu)化設(shè)計，其中一個方法就是預(yù)先謹(jǐn)慎選擇柵極驅(qū)動器。同時，還需要仔細(xì)審視設(shè)計的關(guān)鍵要求，包括效率、密度，當(dāng)然還有成本。因?yàn)楦鶕?jù)應(yīng)用要求，總會需要做出一些權(quán)衡折衷。

盡管碳化硅具有一些固有的優(yōu)勢，但其價格卻仍然阻礙其廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電源IC制造商的說法，除非設(shè)計人員考慮解決方案的總成本，否則，如果僅在器件層面比較碳化硅與硅這兩者，那么前者無疑更加昂貴而難以證明其價值。

我們首先討論下SiC相對于硅MOSFET或IGBT有哪些應(yīng)用上的不同、優(yōu)勢以及權(quán)衡。SiC FET較高的擊穿電壓使其具有較低的導(dǎo)通電阻；其較高的飽和速度則可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度；其3倍高的帶隙能量則可以實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)溫，從而改善冷卻；其3倍高的熱導(dǎo)率則表明其可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度(圖1)。

業(yè)界一致認(rèn)為，低壓硅MOSFET和GaN適用于低于700V的電壓范圍，而SiC則更適合在高于700V的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，二者在較小的功率范圍有少許重疊。

碳化硅主要用于取代600V和3.3kW以上的硅IGBT類應(yīng)用，而在大約11kW時更是如此，此時對SiC來說更像是一個甜蜜點(diǎn)，也即它具有高電壓工作、低開關(guān)損耗和更高開關(guān)頻率的功率級等優(yōu)勢，美國微芯科技(Microchip)分立及電源管理數(shù)字柵極驅(qū)動器(AgileSwitch)產(chǎn)品線總監(jiān)Rob Weber指出。

這些特性使采用更小的濾波器和無源元件成為可能，而且它還降低了冷卻需求。他表示：“我們談?wù)摰氖窍鄬τ贗GBT的系統(tǒng)級優(yōu)勢，它最終將帶來尺寸、成本和重量的降低?！?/p>

“從損耗的角度來看，例如，在30kHz的開關(guān)頻率下，損耗最高可降低70%。這是由于碳化硅在擊穿電場、電子飽和速度、帶隙能量和熱導(dǎo)率方面具有不同的特性。”Weber表示。

圖1：SiC與Si和IGBT對比。(圖片來源：Microchip)

工程師關(guān)注的基準(zhǔn)是效率，這決定了改善的程度，但對碳化硅而言，越來越被關(guān)注到的是其優(yōu)于IGBT的系統(tǒng)級優(yōu)勢，Weber表示。

“碳化硅可以在更高的開關(guān)頻率下工作，這樣，工程師就可以在最接近的功率級周圍使用更小的外部元器件，例如濾波器，也即又大又重的磁性器件。再就是，由于開關(guān)損耗較低，碳化硅可以在更高的溫度下工作或更不容易發(fā)熱；還可以用風(fēng)冷系統(tǒng)代替液冷系統(tǒng)，同時縮小散熱器的尺寸。”他解釋到。

他表示，這種元器件尺寸和重量的減少，可以帶來更低的成本，也即碳化硅的優(yōu)勢遠(yuǎn)不止提高效率。

然而，就器件之間的價格比較而言，碳化硅仍然要比傳統(tǒng)的硅基IGBT貴?！八兄圃焐痰奶蓟枘K成本都更高，但如果去審視整個系統(tǒng)的話，就會發(fā)現(xiàn)碳化硅系統(tǒng)的成本更低?！盬eber指出。

在Weber分享的一個案例中，某客戶采用SiC MOSFET后系統(tǒng)成本降低了6%。

一旦設(shè)計人員決定改用碳化硅，那么就還需要進(jìn)行一些權(quán)衡。功率半導(dǎo)體制造商承認(rèn)，碳化硅會帶來一些“間接效應(yīng)”，如噪聲、EMI和過壓等，這些問題必須予以解決。

“讓器件更快地開關(guān)，也就可能會產(chǎn)生更多的噪聲，這會帶來EMI問題。”Weber表示，“此外，盡管SiC在更高的電壓下表現(xiàn)更出色，但它在短路條件下遠(yuǎn)不如IGBT魯棒，而且電壓會發(fā)生變化，因此會發(fā)生過壓情況，這就會導(dǎo)致一些設(shè)計人員采用額定電壓更高的SiC器件，以便更好地控制過壓和過熱情況?！?/p>

這就是柵極驅(qū)動器的選擇發(fā)揮重要作用的地方。碳化硅對電源電壓、快速短路保護(hù)和高dv/dt抗擾度等特性都有獨(dú)特的要求。

選擇碳化硅柵極驅(qū)動器

與硅基器件相比，在為碳化硅開關(guān)選擇合適的柵極驅(qū)動器時，需要以一種新的思維方式去考慮其電源解決方案。主要考慮因素包括拓?fù)?、電壓、偏置以及監(jiān)控和保護(hù)功能。

柵極驅(qū)動器的選擇至關(guān)重要，而在以前，可以采用順序法來選擇柵極驅(qū)動器，Weber表示。“在碳化硅出現(xiàn)之前，是先選擇IGBT，然后選擇柵極驅(qū)動器，再選擇母線和電容器等?！盬eber解釋說，“現(xiàn)在則完全不同。我們必須先審視正在設(shè)計的整體解決方案并在每個步驟做出權(quán)衡，而不能采用IGBT的這種順序法。很多客戶都從中得到過教訓(xùn)?！?/p>

另外，碳化硅柵極驅(qū)動器種類繁多，其特性和集成度(以及價格)也多種多樣，可以適用從簡單到復(fù)雜的各種設(shè)計。

例如，ADI公司將其柵極驅(qū)動器按基本功能、過流保護(hù)和故障檢測等保護(hù)功能以及完全可編程的可配置性進(jìn)行分類。ADI的隔離式柵極驅(qū)動器采用該公司的iCoupler隔離技術(shù)，并與高速CMOS和單片變壓器技術(shù)相結(jié)合。據(jù)該公司稱，該技術(shù)可在不犧牲共模瞬變抗擾度(CMTI)性能的情況下實(shí)現(xiàn)超低傳播延遲。ADI還提供了一系列評估板和參考設(shè)計，為設(shè)計人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計提供了一個很好的起點(diǎn)。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率水平、保護(hù)和功能安全要求以及在用的SiC器件將決定應(yīng)用所需的驅(qū)動器類型，德州儀器(TI)高壓電源系統(tǒng)工程主管Lazlo Balogh表示。

例如，非隔離式驅(qū)動器可能需要大量額外的電路，它適用于較簡單的應(yīng)用，因此并不需要將所有的東西都集成到驅(qū)動器中，他表示。

還有隔離式驅(qū)動器能夠處理負(fù)偏置和隔離問題，但仍需要在系統(tǒng)中進(jìn)行某種監(jiān)控。最后是汽車應(yīng)用中所采用的進(jìn)一步集成的器件，其中包含了監(jiān)控和保護(hù)電路以及功能安全，他補(bǔ)充說。

“正確部署SiC的步驟是，首先審視拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所需驅(qū)動的器件類型，然后選擇柵極驅(qū)動器，優(yōu)化偏置，確定需要的保護(hù)功能，最后優(yōu)化布局?！盉alogh表示。

從驅(qū)動器的角度來看，無論是需要隔離式還是非隔離式柵極驅(qū)動器，需要多少保護(hù)功能(這與針對保護(hù)和安全的集成度有關(guān))，還是需要多少額外電路，擁有合適的偏置，就擁有合適的電壓能力，他補(bǔ)充說。

還有一個阻礙SiC應(yīng)用的原因是，由于其開關(guān)速度較高，SiC器件需要采用能消除源極電感的封裝，而這通常是采用開爾文源極連接來實(shí)現(xiàn)的(圖2)。“源極電感的后果可能非常糟糕，它會減慢開關(guān)動作，從而導(dǎo)致大量的振鈴和額外的功耗?！盉alogh指出。

圖2：開爾文源極連接。(圖片來源：TI)

“這時候版圖設(shè)計工程師就是我們最好的朋友，因?yàn)槲覀冋娴男枰獙徱暟鎴D設(shè)計，從而減輕振鈴并針對高速開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化?！盉alogh表示。他還補(bǔ)充說，這其中包括最大限度地降低走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并選擇合適的元器件將開關(guān)電流通路和寬頻帶正確地旁路。

真正關(guān)鍵的是如何將驅(qū)動器連接到開關(guān)，Balogh表示。由于雜散電感會增加開關(guān)損耗，因此必須將驅(qū)動器的地直接連接到電源開關(guān)的源極，他指出。

德州儀器提供了一系列評估板/參考設(shè)計，讓客戶更接近其性能要求。Balogh表示，總會需要做出一些權(quán)衡，而TI則可幫助客戶根據(jù)自己的需求優(yōu)化設(shè)計，例如是否需要達(dá)到滿載峰值效率。他建議，如果對驅(qū)動WBG有任何疑問，可參考應(yīng)用筆記并聯(lián)系應(yīng)用工程師。

TI提供了一系列Si和IGBT柵極驅(qū)動器，包括UCC21710、UCC21732和UCC21750。它們都是集成了保護(hù)和傳感功能的隔離式柵極驅(qū)動器(圖3)。這些器件所提供的快速檢測時間，可防止過流事件，同時確保系統(tǒng)安全關(guān)斷。

圖3：保護(hù)功能。(圖片來源：TI)

英飛凌科技的區(qū)域應(yīng)用工程師Mladen Ivankovic表示，選擇SiC MOSFET時要問的第一個關(guān)鍵問題是，“需要對該器件提供單極驅(qū)動還是雙極驅(qū)動”。

市面上有很多又快又魯棒的驅(qū)動器，既可以驅(qū)動Si，也可以驅(qū)動SiC，但在從Si轉(zhuǎn)向SiC時，因此需要謹(jǐn)慎思考如何對其進(jìn)行驅(qū)動，因?yàn)楣枋怯?2V的典型電壓驅(qū)動的，Ivankovic表示?！拔覀兪怯?2V導(dǎo)通，用0V關(guān)斷，因此驅(qū)動器驅(qū)動硅器件或超結(jié)MOSFET的正常電壓范圍為0至12V，因此任何硅器件供應(yīng)商都可以提供?！彼a(bǔ)充說。

另一方面，不同廠商的SiC器件卻有著不同的導(dǎo)通/關(guān)斷電壓。例如，市面上有的SiC MOSFET需要用+15V電壓來導(dǎo)通，用-4V電壓來關(guān)斷，有的則是需要用+20V來導(dǎo)通，用-2或-5V來關(guān)斷，Ivankovic表示?！斑@就需要一個能夠支持正負(fù)電壓的驅(qū)動器?！?/p>

但是，采用英飛凌的SiC，就只需要一個較寬的電壓范圍，他表示?！耙虼耍皇?到12V，而是需要使用0到18V來對其進(jìn)行驅(qū)動，而且可以使用與Si或SiC相同的驅(qū)動器?！彼a(bǔ)充說。

因此，設(shè)計人員必須謹(jǐn)慎選擇是需要單極柵極驅(qū)動器，還是需要同時提供正負(fù)電壓才能正常對其進(jìn)行驅(qū)動，Ivankovic表示。

英飛凌最近面向一系列工業(yè)應(yīng)用推出了EiceDRIVER X3增強(qiáng)型模擬(1ED34xx)柵極驅(qū)動器IC和數(shù)字(1ED38xx)柵極驅(qū)動器IC(圖4)。這兩個系列專為采用分立和模塊封裝的IGBT、Si和SiC MOSFET而設(shè)計。1ED34xx可通過外部電阻器提供可調(diào)節(jié)的去飽和濾波時間和軟關(guān)斷電流，1ED38xx則為多個參數(shù)提供了I2C可配置性，包括可調(diào)控制和保護(hù)功能，例如短路保護(hù)、軟關(guān)斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關(guān)斷和兩電平關(guān)斷(TLTO)。

圖4：英飛凌所設(shè)計的EiceDRIVER 1EDBx275F單通道隔離式柵極驅(qū)動器IC系列，專門用于驅(qū)動Si、SiC和GaN功率開關(guān)。(圖片來源：英飛凌科技)

根據(jù)ADI高級應(yīng)用工程師Eric Benedict所述，另一個柵極驅(qū)動器考慮因素是峰值電流容量性能，他在Wolfspeed的培訓(xùn)課程網(wǎng)絡(luò)研討會上談到了這一點(diǎn)?！澳敲矗瑸槭裁催@是驅(qū)動開關(guān)的一個重要特性呢？在大多數(shù)情況下，它歸結(jié)為以降低開關(guān)損耗的形式實(shí)現(xiàn)效率的提升。為了完成開關(guān)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動器需要向柵極提供足夠的電荷，以便使開關(guān)完全導(dǎo)通。使開關(guān)速度加快意味著更快地提供這些電荷，而由于電流是單位時間所流過的電荷，更快的開關(guān)速度意味著更多的柵極驅(qū)動電流。因此，峰值驅(qū)動電流將由柵極回路總電阻上的柵極電源電壓所決定?！?/p>

Benedict還提醒到，在查看數(shù)據(jù)手冊時需要注意，制造商會根據(jù)不同的測試條件報告其柵極驅(qū)動器輸出電流?！坝行┲圃焐讨付ǖ氖窃趯⑤敵龆搪帆@得極短電路脈沖期間所測得的電流，而另一些制造商則使用的是在有一定實(shí)際柵極電阻的情況下所測得的電流。因此，在比較不同器件的規(guī)格時，確實(shí)需要格外細(xì)心?！?/p>

該培訓(xùn)課程中還涵蓋了一些要點(diǎn)，包括選擇具有足夠驅(qū)動能力的柵極驅(qū)動器，從而利用開關(guān)頻率的優(yōu)勢來降低損耗；提供適當(dāng)?shù)墓材Ｋ沧兛箶_度；關(guān)注版圖設(shè)計而使其針對SiC進(jìn)行調(diào)整，例如最大限度地降低寄生效應(yīng)；以及了解與IGBT相比，在去飽和或短路保護(hù)上有何不同。

可配置的數(shù)字柵極驅(qū)動器

許多領(lǐng)先的電源IC制造商都開發(fā)了獨(dú)有的SiC柵極驅(qū)動器技術(shù)和解決方案，借此來避免產(chǎn)生間接效應(yīng)，并最大限度地發(fā)揮寬禁帶器件的技術(shù)優(yōu)勢。

例如，Microchip在其AgileSwitch驅(qū)動器中采用了數(shù)字方法，其中包括一種稱為“增強(qiáng)型開關(guān)”的獨(dú)特技術(shù)(圖5)。該技術(shù)的一個關(guān)鍵要素是可配置的導(dǎo)通/關(guān)斷，它提供了一系列步驟來控制電壓水平和處于這些電壓水平的時間。這讓設(shè)計人員可以通過軟件以數(shù)字方式配置導(dǎo)通/關(guān)斷曲線，而無需對硬件進(jìn)行更改。該技術(shù)還包括額外水平的故障監(jiān)控檢測和短路響應(yīng)。

Microchip還宣布了一些重大的改進(jìn)：開關(guān)損耗降低達(dá)50%，電壓超調(diào)降低達(dá)80%。

“傳統(tǒng)的模擬方法當(dāng)然適用于硅開關(guān)，上述很多間接效應(yīng)在驅(qū)動緩慢的IGBT時都不是問題，但碳化硅則完全不同。”Weber表示。

數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是可以非常快速地保護(hù)短路條件，然后以安全的方式對其做出響應(yīng)，Weber指出。

圖5：數(shù)字柵極驅(qū)動器的發(fā)展。(圖片來源：Microchip)

Microchip最近推出了第二代數(shù)字柵極驅(qū)動器，其在第一代的基礎(chǔ)上，增加了新的控制水平(圖6)。這種可配置的柵極驅(qū)動器可用于驅(qū)動任意供應(yīng)商的SiC MOSFET。

MOSFET的差異與導(dǎo)通電壓和關(guān)斷電壓有關(guān)，因此，即使不同公司的MOSFET可能有不同的正負(fù)電壓，也可以通過Microchip的柵極驅(qū)動器對正負(fù)電壓水平進(jìn)行編程。這些都是可通過柵極驅(qū)動器配置的，Weber表示。

圖6：AgileSwitch的可配置性。(圖片來源：Microchip)

Weber表示，他們的客戶已經(jīng)能夠?qū)⑵溟_發(fā)周期和開發(fā)時間縮短多達(dá)六個月?！斑^去用焊錫槍或電路板返工才能做到的事情，現(xiàn)在用軟件就可以完成，這是完全不同的思維模式。而對那些已經(jīng)開始采用它的客戶來說，他們認(rèn)為這改變了局面?！?/p>

他還指出，這為客戶提供了更大的靈活性，尤其是在供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)的時候。“當(dāng)有產(chǎn)品供應(yīng)時，公司就能夠在供應(yīng)商之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移?！彼a(bǔ)充說。

Microchip在一系列柵極驅(qū)動器板產(chǎn)品中采用了ASD2數(shù)字柵極驅(qū)動器IC，這些電路板被稱為柵極驅(qū)動器核心，也即帶有電源柵極驅(qū)動器，以及微處理器和一定程度的可配置性與控制能力的半橋器件。該公司還通過一系列適配器板或子卡來提供全行業(yè)兼容性，從而使同時使用Microchip和競爭對手所提供的不同類型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊成為了可能。

數(shù)字柵極驅(qū)動器還支持設(shè)計人員針對當(dāng)今的應(yīng)用對MOSFET進(jìn)行優(yōu)化，而不是在5至10年后優(yōu)化，從而解決開關(guān)隨時間或使用而老化的問題。

“對于我們的驅(qū)動器，客戶關(guān)注和感興趣的一點(diǎn)是，它能夠針對當(dāng)前的MOSFET進(jìn)行優(yōu)化。他們的想法是，如果MOSFET的性能確實(shí)隨時間推移而下降，他們就可以通過更改設(shè)置來圍繞MOSFET進(jìn)行優(yōu)化。這樣，就可以從當(dāng)前的系統(tǒng)中獲得更高的效率，而不必通過為未來最壞的情況進(jìn)行設(shè)計而放棄這種效率?！盬eber表示。

這也可以通過模擬解決方案來完成，而且總會有很多方法能夠?qū)崿F(xiàn)，但開發(fā)解決方案的成本、權(quán)衡和時間就不得而知了，他補(bǔ)充說。

采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器

供應(yīng)商們也承認(rèn)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器來控制SiC器件，但他們不得不做出一些設(shè)計折衷，而這種折衷通常需要額外的電路或更大的外部器件。例如，在使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器時，一種減少振鈴和過壓的方法就是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

Balogh還指出了其他需要考慮的問題，例如保護(hù)功能、欠壓鎖定、更高頻率的工作、更快的開關(guān)速度和裸片上的熱點(diǎn)，這些都會對功耗、EMI和尺寸產(chǎn)生影響。

此外，額外的電路通常會比集成式解決方案和專用SiC占用更多的空間，這也會帶來很多負(fù)面影響。因此，高端設(shè)計應(yīng)選擇專用的SiC核心驅(qū)動器，這類驅(qū)動器考慮了更快的開關(guān)速度、過壓條件以及噪聲和EMI等相關(guān)問題，他表示。

“我們總是可以使用標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動器，但是必須用額外的電路來對其進(jìn)行補(bǔ)充，而這通常是一種設(shè)計權(quán)衡?！盉alogh表示。

例如，對小型高功率密度設(shè)計而言，可以采用SOT23封裝的標(biāo)準(zhǔn)非隔離式柵極驅(qū)動器。非隔離式驅(qū)動器不能直接適用，但也可以做到，而且很多人都喜歡采用這種方法，Balogh談到。


審核編輯：劉清