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學技術 | 碳化硅 SIC MOSFET 如何降低功率損耗

大大通 ? 2022-11-30 15:28 ? 次閱讀
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SIC MOSFET 作為第三代半導體器件,以其卓越的高頻高壓高結溫低阻特性,已經(jīng)越來越多的應用于功率變換電路。 那么,如何用最有效的方式驅動碳化硅 MOSFET,發(fā)揮SIC MOSFET的優(yōu)勢,盡可能降低的傳導和開關損耗,本文以給出了使用 ST 碳化硅 MOSFET 的主要設計原則,以得到最佳性能。

一,如何減少傳導損耗:

碳化硅 MOSFET 比超結 MOSFET 要求更高的G級電壓,建議使用 +18 V以減少 RDS(on),從而減少傳導損耗。但是沒有必要使用超過 20 V 的驅動電壓,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)。 使用負壓可以更快速的關斷,從而使開關損耗最小化。

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二,如何減少開關損耗:

影響開關損耗的主要因素有:

1,關斷能量 (Eoff)------取決于 Rg 和 VGS-OFF (負的柵極電壓)

2,開通能量 (Eon)------取決于 Rg

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

4,柵極驅動電流

關斷能量 (Eoff)------取決于 Rg 和 負的柵極電壓,和SI MOSSET相似,碳化硅 MOSFET 沒有拖尾效應,所以關斷損耗 (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,可以采用減小驅動電阻Rg 和 增加柵極負電壓 ,負壓建議-3V左右。

下圖描述了Rg 和Eoff 的關系:

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當然,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,即使使用較小的驅動電阻時,可有足夠的電壓裕量。


使用負電壓來關斷 MOSFET 有助于進一步減少關斷損耗,可以增加柵極電阻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%。

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開通能量 (Eon)------取決于 Rg: 開通能量也可以通過降低柵極驅動電阻來降低,當柵極電阻在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,因為 di / dt 會因低 Rg 值降低而顯著增加,從而使EMC 變差。

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米勒效應對 開通損耗 Eon 和反向恢復損耗 Err 的影響:

當半橋下管開通時 , 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 MOSFET 的開啟閾值電壓,則會產(chǎn)生被稱為 “ 米勒導通 ” 或 “ 米勒效應 ” 的寄生導通,這會影響整個橋臂的開關損耗。相應的,當上管 MOSFET 開通時,電流流過低側開關的米勒電容時 , 寄生導通也可能會發(fā)生。

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

使用ST 帶有米勒鉗位功能的驅動IC可以有效減小米勒效應。

對柵極驅動電流的要求:

開通或關閉 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。

在任何開關周期 , 驅動器必須提供足夠的驅動電流,當驅動器的拉電流和灌電流能力不足時 , 將影響碳化硅 MOSFET 的開關性能。推薦使用ST GAP系列驅動IC。

綜上所述,使用ST 專用的SIC MOSFET 驅動IC,配合合適的Rg 電阻值,可以得到優(yōu)化的 開通/關斷/導通 損耗。

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