隨著 SiC MOSFET 等新型功率晶體管越來越多地用于電力電子系統(tǒng)，使用特殊的驅(qū)動(dòng)器已成為必要。通過提供對(duì) IGBT 和 MOSFET 的可靠控制，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器專為碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等技術(shù)所需的最高開關(guān)速度和系統(tǒng)尺寸限制而設(shè)計(jì)。架構(gòu)的演進(jìn)滿足了新的效率水平和時(shí)序性能的穩(wěn)定性，從而減少了電壓失真。本文以羅姆半導(dǎo)體的基于 SiC 技術(shù)的功率器件為參考點(diǎn)。

為什么要使用 SiC MOSFET?

碳化硅技術(shù)可以提供幾種類型的好處，如圖1所示：

圖 1：采用 SiC 技術(shù)帶來的好處。

首先，我們具有較低的材料固有電阻，這允許更小的芯片和最終更小的封裝。對(duì)于功率器件等復(fù)雜組件而言，這是一個(gè)關(guān)鍵因素，這些組件通常在橋接配置中包含多個(gè)層。此外，更小的裸片有助于更好地優(yōu)化內(nèi)部布局并降低寄生電容。

第二個(gè)好處是更高的手術(shù)頻率。通過更好的材料動(dòng)態(tài)和更高的開關(guān)速率可實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率，從而可以減小無源元件(線圈電感器、濾波器和變壓器)、紋波以及在某些情況下的輸入和輸出電容的尺寸。

第三個(gè)好處與更高的工作溫度有關(guān)，因?yàn)?SiC 材料的工作溫度更高(最高可達(dá) 200°C)及其更好的導(dǎo)電性。基于此，我們可以縮小散熱器的尺寸，或者在某些情況下簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)。有時(shí)甚至可以從液體冷卻系統(tǒng)遷移到強(qiáng)制空氣冷卻系統(tǒng)。

SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的挑戰(zhàn)與優(yōu)化

更高電壓：第一點(diǎn)與更高的柵極電壓有關(guān)。圖 2 顯示了不同功率器件之間的比較：SiC MOSFET、功率 MOSFET 和硅 IGBT。

圖 2：不同功率器件的比較。

從輸出特性(參考不同廠家)，我們可以觀察到電壓電平有很大的可變性。ROHM SiC MOSFET 現(xiàn)在已經(jīng)是第三代了，其典型的柵極-源極電壓 (V GS ) 為 18 V。我們現(xiàn)在有興趣檢查如果我們以不正確的電壓電平驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 會(huì)發(fā)生什么：我們將從 18 V，逐漸將電壓降低到 16 V、14 V，甚至更低。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)也可能發(fā)生電壓降，這是由電源電壓變化或其他因素引起的。使用圖 3所示的設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試：

圖 3：測(cè)試設(shè)置。

測(cè)量電路基于輸出功率為 5 kW 的升壓器配置。從 18 V 的 V GS 開始，電壓逐步降低到 14 V 以下。在 13.4 V 時(shí)，停止測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖4。正如預(yù)期的那樣，R DS(on) 隨著柵極電壓的降低而增加。在 14 V 左右(指被測(cè)器件)，我們可以觀察到溫度急劇升高，必須在擊穿(由于熱失控)發(fā)生之前盡快停止測(cè)試。

圖 4：R DS(on) 和柵極電壓。

這種現(xiàn)象是已知的，因?yàn)?R DS(on) 溫度系數(shù)在大約 12 V 到 14 V 時(shí)將其符號(hào)反轉(zhuǎn)。在 18 V 時(shí)，溫度系數(shù)為正。這意味著當(dāng)溫度升高時(shí)，R DS(on) 會(huì)增加。然而，在低柵極電壓下，溫度系數(shù)為負(fù)，當(dāng)溫度降低時(shí)，R DS(on) 降低。為避免熱失控，某些類別的 SiC MOSFET 要求最小柵極電壓為 14 V。

另一個(gè)大問題是如何正確驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，以及我們是否可以為此目的使用硅 MOSFET。例如，考慮圖 5的電源示意圖。輸入電壓為 700?1,000 VDC，很難應(yīng)用硅 MOSFET，無論如何，我們應(yīng)該使用兩個(gè)串聯(lián)的 MOSFET 以滿足該應(yīng)用的電壓水平。MOSFET 可以承受的最大電壓很容易達(dá)到 1,350 V 或更高(1,000 V 最大輸入電壓加上反射電壓加上雜散電感產(chǎn)生的浪涌電壓)。

圖 5：用硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET。具有三相輸入的 QR 反激式轉(zhuǎn)換器。

除了使用兩個(gè)硅 MOSFET，我們可以只使用一個(gè) SiC MOSFET(例如 1,700-V 型)，但是如何驅(qū)動(dòng)它呢?答案是我們需要一個(gè)專門的IC。ROHM BD7682FJ 是市場(chǎng)上第一款針對(duì) SiC MOSFET 優(yōu)化的 IC。它具有 18 V 的柵極鉗位(避免危險(xiǎn)電壓)、14 V 的欠壓鎖定 (UVLO)、軟啟動(dòng)(有助于減少柵極脈沖)和廣泛的保護(hù)功能列表。

換向更快：關(guān)于 IGBT 晶體管，眾所周知，SiC MOSFET 具有更好的動(dòng)態(tài)性，這意味著換向更快。SiC MOSFET 的換流速度為幾十納秒，而 IGBT 的換流速度為數(shù)百納秒。為了實(shí)現(xiàn)這種快速換向，我們必須在更短的時(shí)間內(nèi)提供總柵極電荷。這意味著我們?cè)跂艠O驅(qū)動(dòng)器中需要更高的峰值電流。高多少?如圖6所示，至少需要IGBT的電流相同，或者更高一些。

圖 6：與 IGBT 相比，SiC MOSFET 提供更快的開關(guān)。由于更快的開關(guān)時(shí)間，SiC MOSFET 需要具有更高峰值電流的柵極驅(qū)動(dòng)器。

更快的換向也意味著更高的 dV/dt。dV 和 dt 都可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如圖 7所示的示例，其中比較了 IGBT 和 SiC MOSFET 的開關(guān)時(shí)間。如圖7所示，需要具有至少等于(或更高)100V/納秒的共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖 7：較低的閾值涉及干凈且低寄生的 PCB 布局。

較低的閾值： IGBT MOSFET 的閾值約為 +5 V 甚至更高，而對(duì)于 SiC MOSFET，該技術(shù)允許較低的閾值，約為 +1 V 或 +2 V(見圖8)。此外，由于閾值電壓的負(fù)溫度系數(shù)，該閾值隨著溫度的升高而降低。因此，在柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，我們需要注意這方面，因?yàn)闁艠O上的噪聲可能很危險(xiǎn)。我們?nèi)绾慰刂圃肼暡⑾纳?yīng)?第一步與PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。一個(gè)好的 PCB 設(shè)計(jì)將最小化以下參數(shù)：

從 OUT 到柵極再到電容器的走線阻抗

從 GND 到源到電容器的走線阻抗

大電流路徑區(qū)域(圖8中，開啟路徑以紅色顯示，而關(guān)閉路徑以綠色顯示)

圖 8：MOSFET 半橋中的米勒效應(yīng)。

第二步與米勒鉗位有關(guān)。讓我們考慮一下典型的半橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)開啟半橋的上側(cè) MOSFET(M2：OFF → ON)時(shí)，下開關(guān)兩端會(huì)發(fā)生電壓變化 V DS 。這會(huì)產(chǎn)生電流 (I_Miller)，為下部 MOSFET 的寄生電容 C 充電(見圖9)。該電流流經(jīng)米勒電容、柵極電阻和 C GS 電容。較快的 V DS 從低切換到高。如果柵極電阻上的電壓降超過下 MOSFET 的閾值電壓，則會(huì)發(fā)生稱為“米勒效應(yīng)”的寄生導(dǎo)通(M1 導(dǎo)通)。

圖 9：有源米勒鉗位。

可以通過兩種方式避免米勒效應(yīng)。一種是用于保持 MOSFET 關(guān)閉的負(fù)電源 (VEE)。第二種是主動(dòng)米勒鉗位，如圖10所示。

該解決方案包括添加第三個(gè)內(nèi)部 MOSFET (M3)，連接到驅(qū)動(dòng)電路中的最低電位。當(dāng) MOSFET 被關(guān)斷時(shí)，鉗位開關(guān)在柵極電壓降至特定水平以下時(shí)被激活，以確保 MOSFET 在任何接地反彈事件或 dV DS /dt 瞬變期間保持關(guān)斷。如圖10 所示，有源米勒鉗位可以通過將柵極直接鉗位到地或負(fù)電源來減少 VGS 增加。

第三步與柵極電壓振蕩有關(guān)。正如您在圖 10中看到的，振蕩可以是正的也可以是負(fù)的，從而產(chǎn)生噪聲。在這種情況下，一種行之有效的解決方法是在柵極和源極之間添加一個(gè)電容器以提高 C GD /C GS 比率。

圖 10：一個(gè)額外的電容器可以減少柵極電壓振蕩。

由于電容器對(duì)開關(guān)時(shí)間有影響，因此必須仔細(xì)評(píng)估此解決方案。基于上述考慮，滿足這些要求的器件之一是 ROHM 的 SiC MOSFET 專用柵極驅(qū)動(dòng)器。BM61S40RFV 柵極驅(qū)動(dòng)器具有 14.5 V 的 UVLO、22 V 的過壓保護(hù) (OVP)、100 V/ns 的 CMTI 和 4 A 的輸出電流(在產(chǎn)品路線圖中已經(jīng)計(jì)劃的未來設(shè)備中將增加)。

結(jié)論

設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是布局優(yōu)化。這是避免給施加的電壓或電流增加噪聲或尖峰的寄生元件的第一步。第二步是在所有工作條件下都必須檢查的電壓電平和柵極信號(hào)噪聲。第三步是使用專用器件驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET。