碳化硅 MOSFET 憑借顯著的開關性能優(yōu)勢，在許多大功率應用中得到青睞。然而它的特性要求柵極驅動電路有較高要求，以優(yōu)化碳化硅器件的開關性能。盡管碳化硅 MOSFET 并非難以驅動，但許多常見的驅動器可能會導致開關性能下降。

SiLM27531H 柵極驅動器所具備的特性和參數，是其能夠在推薦的最佳驅動配置下驅動碳化硅 MOSFET。本文主要闡述了碳化硅MOSFET 的特性，低邊高速驅動芯片SiLM27531H 的特點及在碳化硅 MOSFET 中的應用，并展示了相關電路的測試結果。

概述

SiLM27531H在碳化硅器件中的應用

在大功率電力電子領域，傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）雖具備耐受 1kV 高壓及大電流的能力，但因關斷過程中存在顯著的電流拖尾效應，導致關斷損耗較高，典型開關頻率被限制在 20~30kHz。相比之下，寬禁帶碳化硅（SiC）MOSFET 憑借優(yōu)異的開關性能可顯著提升系統(tǒng)開關頻率，進而提高能量轉換效率。盡管碳化硅器件單體成本較高，但通過縮減變壓器、電容等外圍元件體積及降低系統(tǒng)整體空間需求，可實現總成本優(yōu)化。此外，傳統(tǒng)硅 MOSFET 的耐壓能力通常不超過 900V，而高于該電壓等級的低導通阻抗硅 MOSFET 在市場上或稀缺或成本高昂，進一步凸顯了碳化硅 MOSFET 的應用價值。

寬禁帶碳化硅 MOSFET 特點及 SiLM27531H 的技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)硅 MOSFET 相比，碳化硅 MOSFET 具有如下顯著的性能優(yōu)勢以及驅動需求特點 ：

1. 導通與耐壓特性：

具備更低的導通阻抗和更高的耐壓等級，可在高壓大功率場景下實現低損耗運行。

2. 開關速度優(yōu)勢：

器件寄生電容極低且開關過程中電荷轉移量少，開關速度遠高于硅。

3. 高溫穩(wěn)定性：

在最高結溫條件下，導通電阻增幅遠低于硅 MOSFET，漏源極漏電流變化幅度小，高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定性更優(yōu)。

4. 柵極電壓需求：

跨導相對較低，需更高柵源電壓以實現低漏源極飽和電壓。硅 MOSFET 通常在 8~10V 柵源電壓下即可達到理想飽和狀態(tài)，而碳化硅 MOSFET 則需 15~20V 正向柵源電壓。

5. 閾值與負偏置需求：

導通閾值電壓與硅 MOSFET 相當或更低，導致其在可變電阻區(qū)工作時柵源電壓變化范圍更大。由于開關速度快，關斷過程中漏源電壓高變化率易通過漏柵電容產生米勒效應，若未施加負柵源電壓且驅動布局未優(yōu)化，可能使柵極電壓達到導通閾值引發(fā)誤導通。因此，碳化硅 MOSFET 通常需 - 2V 至 - 5V 的關斷驅動電壓。

SiLM27531H 是一款單通道柵極驅動器，可實現可靠的低邊碳化硅 MOSFET 驅動，主要有以下關鍵性能優(yōu)勢：

1. 供電電壓裕量充足：

碳化硅 MOSFET 推薦正向驅動電壓 18V、負壓驅動電壓 - 3V 至 -5V，對應驅動電路所需電壓可能需要 23V 以上?？紤]偏置容差及瞬態(tài)干擾余量，則需要更高的供電電壓。SiLM27531H 額定工作電壓高達 30V，可以為驅動電壓優(yōu)化提供充足冗余空間。

2. 獨立驅動配置：

采用開通與關斷引腳分離設計，可分別設置最優(yōu)導通與關斷柵極電阻。相比單引腳輸出驅動器需通過并聯電阻與二極管組合實現的方案，該設計消除了二極管壓降影響，在關斷過渡過程中可將柵源電壓可靠鉗位至低電平，同時簡化電路設計。

3. 驅動電流能力：

碳化硅 MOSFET 在可變電阻區(qū)柵極電壓擺幅大，快速通過該區(qū)域可縮短達到最低漏源飽和電壓的時間；同時，關斷時需驅動芯片具備足夠灌電流能力以鉗位柵源電壓。另外，并聯碳化硅 MOSFET 的應用中，需要的驅動電流更大。SiLM27531H 的驅動電流高達 5A 的性能可滿足上述雙重需求。

4. 欠壓保護機制：

欠壓鎖定閾值為 13.5V，支持通過外部電路調整欠壓閾值或利用 EN 控制引腳設定正常工作范圍，可配合系統(tǒng)時序控制及電源電壓故障監(jiān)測，確保功率回路在驅動偏置正常后啟動。

下圖是 SiLM27531H 的典型應用圖。

圖1.SiLM27531H 驅動 MOSFET 的典型應用圖

應用SiLM27531H實現碳化硅MOSFET驅動方案

由于碳化硅 MOSFET 驅動關斷電壓需要負電壓偏置，如圖2.所示，將 SiLM27531H 的供電低電平偏置后驅動關斷電平即可獲得負電壓 VNEG，其中負電平 VNEG 和系統(tǒng)地的偏置電壓通過 4.7V 穩(wěn)壓管和分壓電阻實現。

SiLM27531H 的輸入信號一般從系統(tǒng) MCU 輸出提供，而系統(tǒng) MCU 地和 SiLM27531H 的 VNEG 地并不一致，所以 MCU 的輸出驅動電平需經電平轉換后傳遞至 SiLM27531H 實現正常輸入。

主功率回路采用 Boost 升壓拓撲，通過調節(jié)驅動輸入的導通時間與開關頻率，確保功率器件工作于預設狀態(tài)。

圖 2.SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驅動中的試驗原理圖

SiLM27531H驅動碳化硅 MOSFET 試驗結果

碳化硅 MOSFET 采用英飛凌的 IMBG120R116M2H, 測試過程中通過調節(jié)驅動參數，獲得瞬態(tài)試驗波形如下：

CH1: VGS CH2: VDS

圖 3. SiLM27531H 的開通波形

碳化硅 MOSGET開通特性：當開通電阻 RON=100Ω 時，開通速度適中（約 200ns），驅動電壓 VGS 波形呈現明顯的米勒平臺，整體波形穩(wěn)定無異常擾動（圖3.所示）

CH1: VGS CH2: VDS

圖 4. SiLM27531H 的關斷波形

碳化硅 MOSFET 關斷特性：設置關斷電阻 ROFF=50Ω 時，關斷過程中漏源電壓 VDS 無顯著過沖，波形平滑穩(wěn)定，驗證了驅動參數配置的合理性（圖4.所示）

SiLM27531H 驅動碳化硅 MOSFET 的設計注意事項

驅動電源設計要點

碳化硅 MOSFET 驅動開通電壓通常需要18V 電壓，而關斷的電壓需要 -4.7V，此時驅動電壓的高電平 VDD 與負電壓 VNEG 絕對值之和則為 18V+4.7V=22.7V，這樣可利用一路 22.7V的直流隔離電源供給 SiLM27531H 即可實現低邊碳化硅 MOSFET 負電壓關斷和高電壓開通，注意這路電源需和系統(tǒng)地實現電氣隔離。另外，也可以分別用兩路隔離電源提供 18V 和 -4.7V，以獲得更穩(wěn)定的電源性能。

驅動輸入信號處理

采用簡單的開關分立器件電路實現電平轉換（如圖2.所示）可實現輸入不同電壓域的信號轉換，MCU 的輸出信號電壓為 0~3.3V，經過 PFET 器件電路轉換輸出需要考慮器件開通關斷帶來的信號延時問題。減少下拉電阻R1和上拉電阻R2可以減少信號延時，但同時會帶來整體功耗增加。SiLM27531H 的 EN 輸入信號如果也需要從 MCU 側輸入，則也需要類似的電平轉換電路進行轉換實現。另外，雖然 SiLM27531H 的 UVLO 的閾值為 13.5V，但是在此應用中，由于 VNEG 和系統(tǒng)地相差 4.7V，實際的 UVLO閾值對系統(tǒng)地則為 13.5-4.7=9.8V。如需實現實時可靠的信號傳輸，可以考慮數字隔離器的方式。

并聯碳化硅 MOSFET 的設計要點

碳化硅 MOSFET 經常需要通過并聯使用以提升電流容量，并聯的核心是“對稱”和“匹配”。但是碳化硅 MOSFET 器件的高頻特性和寄生參數敏感性，使得并聯驅動設計比硅器件更復雜，主要是要實現碳化硅 MOSFET 器件的開關過程與導通穩(wěn)態(tài)的電流均衡，避免單器件過流損壞。使用單一驅動器給多顆碳化硅 MOSFET 器件驅動可以實現驅動信號的統(tǒng)一，一致，達到并聯均衡電流的效果，但這需要驅動器的驅動電流足夠大，以保證驅動多顆碳化硅 MOSFET 器件。SiLM27531H 高達 5A 的驅動電流能力很好滿足這個需求。另外，在并聯驅動設計中，分別配置每顆碳化硅 MOSFET 的驅動導通電阻和關斷電阻也有助于減少器件間柵極的寄生電感和電容引起的震蕩，保證每顆碳化硅 MOSFET 器件導通瞬間和關斷瞬間盡可能一致，如圖2. 所示。

電路布局設計要點

碳化硅 MOSFET 的高速開關特性對柵極驅動電路的布局設計提出嚴苛要求，需最大限度降低驅動回路寄生電感以避免性能退化。SiLM27531H 采用小尺寸封裝設計，且開通與關斷驅動分別配置獨立引腳，可實現緊湊、簡潔的布局方案，典型布局示例如圖 5所示。為了提高電路性能和穩(wěn)定性，其中 SiC 功率管的 Sense 線與 Source 線分開走線，以便減少寄生電感，提高檢測精度，實現 Kelvin 連接。

圖 5.SiLM27531H 驅動和碳化硅 MOSFET 布局示意圖

總 結

碳化硅 MOSFET 在高壓、大功率場景中展現出卓越的開關性能，但其性能充分發(fā)揮依賴于高性能柵極驅動電路及優(yōu)化的布局設計。由于碳化硅 MOSFET 對負向關斷驅動偏置電壓的需求及更高的最佳正向柵源電壓，其驅動電路的電源電壓需求高于傳統(tǒng)硅 MOSFET 驅動器。SiLM27531H 的 30V 額定工作電壓為驅動電平優(yōu)化提供了充足裕量，有效應對偏置電壓容差及線路瞬態(tài)干擾。

針對碳化硅 MOSFET 快速開關帶來的挑戰(zhàn)，SiLM27531H 通過獨立驅動引腳設計、充足驅動電流能力及優(yōu)化的布局適配性，可有效抑制米勒效應導致的誤導通風險，加速柵源電壓轉換以降低可變電阻區(qū)損耗，并在開關瞬態(tài)過程中維持 VGS 穩(wěn)定性。同時，利用簡單可靠的電平轉換電路可以解決輸入電平不一致問題。試驗結果驗證了 SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驅動應用中的可靠性與性能優(yōu)勢，為高壓大功率碳化硅系統(tǒng)設計提供了高效解決方案。