來源：納芯微電子

摘要

碳化硅場效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）憑借高速開關(guān)特性，大幅降低開關(guān)損耗，目前已在各行業(yè)應(yīng)用中加速滲透。然而，其器件特性所伴隨的高 dV/dt（電壓變化率），易引發(fā)寄生開通風(fēng)險，已成為各行業(yè)應(yīng)用設(shè)計中需重點規(guī)避的核心挑戰(zhàn)。

本篇應(yīng)用筆記聚焦自舉供電場景，重點介紹一種 SiC MOSFET 的可靠驅(qū)動方案，通過將簡易負(fù)壓生成電路與具備米勒鉗位功能的驅(qū)動芯片相結(jié)合，從而省去了專門的負(fù)壓隔離電路設(shè)計。這一方案不僅簡化了驅(qū)動電路架構(gòu)，還顯著減小PCB 布板面積，并有效降低系統(tǒng)成本。

01負(fù)壓供電的主流方案比較

負(fù)壓關(guān)斷是一種常見的避免SiC MOSFET誤導(dǎo)通的方式，而為柵極驅(qū)動芯片提供負(fù)壓供電主要有兩種方式。其一是通過隔離變壓器產(chǎn)生獨立的輔助電源，如下圖所示：

圖1 通過隔離變壓器生成VEE的典型拓?fù)?/p>

其二是在SiC MOSFET的驅(qū)動回路上串聯(lián)穩(wěn)壓管、電容、電阻等元器件，通過正常發(fā)波動作即可直接產(chǎn)生負(fù)壓。

以下介紹這種負(fù)壓發(fā)生的原理。如下圖2所示，負(fù)壓生成電路是由驅(qū)動電阻Rg，負(fù)壓支撐電容Cneg，負(fù)壓鉗位穩(wěn)壓管Dz，電流控制電阻Rc組成。其中控制電阻Rc直接并聯(lián)于SiC MOSFET的GS之間。

圖2 負(fù)壓生成電路的基本拓?fù)?/p>

在芯片內(nèi)部置高時，內(nèi)部PMOS將芯片VDD短接至芯片OUT。此時如下圖3，VDD通過驅(qū)動電阻Rg、穩(wěn)壓管Dz與控制電阻Rc線路形成電流。此時Dz需要維持其在該電流下的鉗位電壓，Cneg的B-A間將形成負(fù)壓Vneg，SiC MOSFET的柵極電壓值則為VDD-|Vneg|。

圖3 負(fù)壓生成電路置高時的工作原理

置低時內(nèi)部NMOS將芯片GND短接至芯片OUT輸出。此時如下圖4，Cneg的A點通過芯片內(nèi)部短路MOS對接至了SiC MOSFET柵極的負(fù)端，即C點。此時SiC MOSFET的柵極電壓等于Cneg的B-A點間電壓，即負(fù)壓Vneg。

圖4 負(fù)壓生成電路置低時的工作原理

這種負(fù)壓生成電路正常發(fā)波便能夠使SiC MOSFET負(fù)壓關(guān)斷，自然地便可以用于低成本的自舉供電。一個經(jīng)典的通過自舉方式便能夠在高低邊產(chǎn)生負(fù)壓的拓?fù)淙缦聢D所示：

圖5 一個典型的自舉供電加負(fù)壓生成電路的拓?fù)?/p>

相對于使用隔離變壓器方式生成負(fù)壓，這個簡易負(fù)壓生成電路有以下明顯優(yōu)勢：

1）省卻了隔離變壓器的單獨供電回路，可以有效降低系統(tǒng)成本；

2）省卻了占板面積較大的變壓器等元器件，有利于實現(xiàn)更為緊湊的布板設(shè)計。

但在一些高dv/dt應(yīng)用場景，如果SiC MOSFET僅采用負(fù)壓關(guān)斷仍然存在應(yīng)用風(fēng)險，此時就有必要將米勒鉗位功能與負(fù)壓關(guān)斷相結(jié)合，從而實現(xiàn)最可靠的驅(qū)動方案。

02有源米勒鉗位功能介紹

SiC MOSFET由于米勒效應(yīng)造成寄生導(dǎo)通的機理是，在本管閉合時，對管開通，本管DS間的電壓瞬變通過Cgd會對柵極GS間造成浪涌電流。由于本管所串聯(lián)的柵極驅(qū)動電阻影響，使得SiC MOSFET的柵極電壓瞬態(tài)越過了開通閾值造成誤開通可能。

而有源米勒鉗位功能原理如下圖6，芯片判斷出本管閉合狀態(tài)下（監(jiān)測CLAMP與VEE管腳間電壓低于V_THR），會將柵極驅(qū)動電阻R1通過內(nèi)部MOS短路，使得SiC MOSFET柵極的GS間阻抗極大降低，最終使浪涌電流造成的柵極電壓擺幅明顯降低。

圖6 有源米勒鉗位工作原理

03米勒鉗位疊加負(fù)壓關(guān)斷的典型應(yīng)用

下圖7展示了使用納芯微低邊驅(qū)動芯片NSD1015MT與隔離驅(qū)動芯片NSI6601ME芯片組合而成的半橋拓?fù)涞牡湫万?qū)動電路，該電路將有源米勒鉗位引腳連接到穩(wěn)壓二級管的陽極，從而與負(fù)壓生成電路疊加使用，可最大程度實現(xiàn)SiC MOSFET的可靠關(guān)斷，并適用于各類反激、半橋、全橋等電源拓?fù)洹?/p>

圖7 負(fù)壓生成電路在半橋應(yīng)用的典型拓?fù)?/p>

NSI6601ME是最新一代集成米勒鉗位功能的隔離驅(qū)動，具備出色的驅(qū)動性能和抗干擾能力。NSD1015MT是單通道低邊驅(qū)動，除有源米勒鉗位外還具備DESAT功能，從而為SiC MOSFET提供快速短路保護；故障上報引腳可向MCU實時反饋欠壓、過流等故障信息，同時內(nèi)部集成5V LDO輸出，可以為系統(tǒng)內(nèi)其他芯片供電。注意，對3.3V的PWM信號輸入，NSD1015MT需要前置一個緩沖器芯片將信號轉(zhuǎn)至5V。

04米勒鉗位疊加負(fù)壓關(guān)斷的效果

為對比SiC MOSFE在高速開關(guān)下，驅(qū)動走線距離、負(fù)壓關(guān)斷、米勒鉗位等影響因素對米勒效應(yīng)的影響，本文采用同樣的驅(qū)動電阻大?。?0歐姆），同款SiC MOSFET進行對比測試。

該SiC MOSFET的柵極開通閾值Vth為最低2V，柵極電壓最大安全工作區(qū)為-5V至22V——即柵極過沖電壓過高有誤開通的風(fēng)險，過低有損壞柵極的風(fēng)險。下表是采用雙脈沖測試，觀測對管開關(guān)時，保持關(guān)斷狀態(tài)的SiC MOSFET的柵極過沖情況匯總。

表1 柵極驅(qū)動典型配置對比*

*考慮到不同廠家不同型號的SiC MOSFET米勒比存在一定差異，同樣條件下實測的米勒峰值電壓可能也會不同。

從上表中可以得出如下結(jié)論：

1）柵極驅(qū)動回路的layout走線長度在SiC MOSFET的米勒效應(yīng)影響中占據(jù)非常大的權(quán)重。無論是負(fù)壓還是有源米勒鉗位功能，在驅(qū)動回路走線很長的情況下，都很難使其過沖保留在柵極安全工作電壓范圍內(nèi)。因此在SiC MOSFET應(yīng)用中，應(yīng)盡量實現(xiàn)良好的驅(qū)動回路layout設(shè)計。

圖8 PCB layout長引線（左）

與短引線（右）的對比示意

2）在驅(qū)動回路走線良好的情況下，如果僅采用負(fù)壓關(guān)斷，由于米勒效應(yīng)造成的正向震蕩尖峰幅值降低，可以避免寄生導(dǎo)通；但由于震蕩擺幅仍然很大，會造成負(fù)向震蕩尖峰超出安全工作電壓范圍。

3）有源米勒鉗位功能可以極大抑制米勒效應(yīng)造成的柵極電壓擺幅，如果僅使用有源米勒鉗位功能與零壓關(guān)斷，在驅(qū)動回路走線良好的情況下可以做到正向震蕩尖峰不超過SiC MOSFET開通閾值，達(dá)到臨界安全工作狀態(tài)；

4）最佳方案是有源米勒鉗位功能與負(fù)壓關(guān)斷措施同時使用，米勒鉗位使得對管動作所造成的擺幅將被極大降低，同時負(fù)壓的引入又能夠?qū)⒓纳蠜_至開通閾值電壓Vth的安全裕量控制于希望的位置，兩者結(jié)合的效果將大于僅使用其中一種。由下圖實測波形亦可以看出，若僅有負(fù)壓，對管開通時依然有誤開通風(fēng)險，對管關(guān)斷時產(chǎn)生的負(fù)壓應(yīng)力也更大。而同時施加了負(fù)壓加米勒鉗位功能后，效果遠(yuǎn)比單一措施更好。

圖9 僅有負(fù)壓（紅）與負(fù)壓加米勒鉗位（綠）

的實測波形對比

左圖為對管開通時的波形，右圖為對管分?jǐn)鄷r的波形

05負(fù)壓生成電路中的選型計算

根據(jù)上述分析，采用圖7所介紹的自舉驅(qū)動方案，將有源米勒鉗位和負(fù)壓關(guān)斷電路相結(jié)合，可實現(xiàn)對SiC MOSFET的可靠驅(qū)動。以下將對一個典型的負(fù)壓生成電路做選型計算，以實現(xiàn)將柵極驅(qū)動的正壓維持于18V，負(fù)壓維持于-3V左右的設(shè)計目標(biāo)。

5.1 穩(wěn)態(tài)正負(fù)電壓值的設(shè)定

圖7中的Rc即可控制Vneg的負(fù)壓具體值?？赏ㄟ^型號穩(wěn)壓管對應(yīng)的曲線來控制所需要穩(wěn)定的負(fù)壓。如使用下圖10中2V7型號的穩(wěn)壓管，想控制其電壓于-2.7V，可看到其對應(yīng)的Iz電流為5mA。

對于VDD=21V的電源電壓，SiC MOSFET的柵極正壓會是Von=VDD-|Vneg|=VDD-Vz=21V-2.7V=18.3V。根據(jù)圖2原理，可令控制電阻Rc=Von/Iz=18.3V/5mA=3700 Ohm。即Rc為3700歐姆時，可令負(fù)壓維持在-2.7V。

圖10 穩(wěn)壓二極管典型正向特性圖

由于在每個功率管的開關(guān)周期，負(fù)壓值會跳變，從而產(chǎn)生負(fù)壓的紋波。如果Cneg的容值為SiC MOSFET的柵極電容量的N倍，則該跳變可估算為VDD/N。即N越大，跳變越可被忽略。也就是說，此Cneg本身的容值越大，功率管開關(guān)所造成的紋波也就越小，一般推薦該N值大于250。

5.2 負(fù)壓建立時間估算

根據(jù)前述原理易知，只有在驅(qū)動芯片置高時才可以建立負(fù)壓。驅(qū)動芯片輸出置低時將維持該負(fù)壓值。當(dāng)置高時，VDD通過控制電阻Rc向Cneg充電至鉗位電壓Vz，負(fù)壓達(dá)到穩(wěn)定。即通過電流ic= (VDD-|Vneg|)/Rc為Cneg充電至Vneg，于是充電時間可表示為：t=|Vneg|*Cneg/ic 。對于剛才的設(shè)定，如果Cneg設(shè)定為1uF，則將Cneg從0V充電至-2.7V的電流為5mA，時間為2.7V*1uF/5mA=540us 。

在實際應(yīng)用中，建議采用第一個PWM輸出常高的方式為電容預(yù)充電，在負(fù)壓穩(wěn)定建立后再正常發(fā)波。

5.3 小占空比的穩(wěn)態(tài)負(fù)壓

在每個開關(guān)周期內(nèi)，驅(qū)動芯片輸出置高時負(fù)壓電容被充電，驅(qū)動芯片輸出置低時負(fù)壓電容被放電。當(dāng)占空比足夠小時，芯片輸出置高時Von為Cneg充電速度無法覆蓋Voff時的放電速度，此時設(shè)定的Vneg會產(chǎn)生偏移，最終|Vneg|將維持在VDD*D伏（開通周期與關(guān)斷周期達(dá)到安秒平衡后可有Von*D=|Vneg|*(1-D)，結(jié)合Von+|Vneg|=VCC，化簡后可得|Vneg|=VDD*D） 。

如5%占空比時，Vneg負(fù)壓的值將無法維持于-2.7V，將會維持在-1V左右 。由于該電路是將米勒鉗位和負(fù)壓關(guān)斷疊加使用，因此-1V的關(guān)斷負(fù)壓仍然可以實現(xiàn)SiC MOSFET比較安全的關(guān)斷。

結(jié)語

本文通過將驅(qū)動芯片的有源米勒鉗位功能和簡易負(fù)壓關(guān)斷電路結(jié)合，設(shè)計了一種適用于自舉供電的SiC MOSFET可靠驅(qū)動方案。本文介紹了這個方案的基本原理和主要指標(biāo)的設(shè)定方法，以及關(guān)鍵器件的選型方法，同時也通過實驗比較展示了方案的優(yōu)勢。

本方案介紹的簡易負(fù)壓關(guān)斷電路可以實現(xiàn)自舉供電，相比隔離供電產(chǎn)生負(fù)壓，在簡化設(shè)計和降低成本方面都有很大收益。

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