SiC設(shè)計(jì)干貨分享（一）：SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓的分析及探討

隨著制備技術(shù)的進(jìn)步，在需求的不斷拉動(dòng)下，碳化硅（SiC）器件與模塊的成本逐年降低。相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用也得到了極大的加速。尤其在新能源汽車(chē)，可再生能源及儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，更是不容小覷。

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶打造個(gè)性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。在第三代半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，落筆于SiC相關(guān)設(shè)計(jì)的系列文章。希望以此給到大家一定的設(shè)計(jì)參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

作為系列文章的第一部分，本文將先就SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓做一定的分析及探討。

常見(jiàn)的Vgs與Vgs(th)，以及對(duì)SiC MOSFET應(yīng)用的影響

驅(qū)動(dòng)電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)關(guān)系到SiC MOSFET在應(yīng)用過(guò)程中的可靠性，功率損耗(導(dǎo)通電阻)，以及驅(qū)動(dòng)電路的兼容性等。這是SiC MOSFET非常關(guān)鍵的參數(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮。在不同的設(shè)計(jì)中，設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)有更高的性?xún)r(jià)比。下圖1 列出幾個(gè)常見(jiàn)廠家部分SiC MOSFET的Vgs與Vgs(th)值作對(duì)比。

SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置探討

1.驅(qū)動(dòng)電壓高電平Vgs_on是選擇+12V、+15V、+18V還是+20V?

如圖1所示，SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電壓正向最大值在22V~25V左右，推薦的工作電壓主要有+20V,+18V兩種規(guī)格，具體應(yīng)用需要參考不同SiC MOSFET型號(hào)的DATASHEET。由下圖2所示，Vgs超過(guò)15V時(shí)，無(wú)論是導(dǎo)通內(nèi)阻還是導(dǎo)通電流逐漸趨于平緩 (各家SiC MOSFET的DATASHEET給出的參考標(biāo)準(zhǔn)不同，有的是Rds(on)與Vgs的曲線，有的是Id與Vgs的曲線)。當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電壓Vgs越高，對(duì)應(yīng)的Rds(on)會(huì)越小，損耗也就越小。

富昌設(shè)計(jì)小建議：Vgs設(shè)定Vgs時(shí)不能超過(guò)DATASHEET給定的最大值，否則可能會(huì)造成SiC MOSFET永久損壞。

（1）對(duì)于推薦使用+18V或+20V 高電平驅(qū)動(dòng)電壓的SiC MOSFET

由圖1所示，因?yàn)樾乱淮鶶iC MOS工藝的提升，部分SiC MOSFET推薦高電平驅(qū)動(dòng)電壓為+18V。由下圖2所示，工藝的提升，使得Vgs從+18V到+20V的Rds(on)變化不大，導(dǎo)通損耗差別不明顯。

富昌設(shè)計(jì)小建議：最新一代SiC MOSFET建議使用+18V驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)降低驅(qū)動(dòng)損耗以及減少Vgs過(guò)沖損壞更加有益。

（2）對(duì)于+15V 高電平可否驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET

在正常情況下，DATASHEET上沒(méi)有推薦，不建議使用。但是考慮到與15V驅(qū)動(dòng)的Si IGBT 兼容，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算導(dǎo)通損耗的增加，設(shè)計(jì)有足夠的散熱條件以及考慮到設(shè)備整體損耗時(shí)，也可以使用。如下圖2所示為Vgs與Rds(on)的關(guān)系，可知門(mén)極電壓越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)會(huì)比標(biāo)稱(chēng)值大。

富昌設(shè)計(jì)小建議：Vgs設(shè)置為+15V時(shí)，SiC MOSFET損耗會(huì)比標(biāo)稱(chēng)值大。

（3）對(duì)于+12V 高電平可否驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET

工作原理與+15V驅(qū)動(dòng)電壓同理，但是應(yīng)用會(huì)更少，一般不推薦使用。但是一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，例如在小功率高壓輔助電源應(yīng)用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，客戶在綜合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情況下，是可以使用的。

富昌設(shè)計(jì)小建議：Vgs設(shè)置為+12V時(shí)，SIC MOSFET損耗會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值，計(jì)算損耗時(shí)應(yīng)參考Vgs=+12V時(shí)的Rdson。

2.驅(qū)動(dòng)電壓低電平Vgs_off是選擇0V、-3V還是-5V?

驅(qū)動(dòng)電壓低電平的選擇要比高電平復(fù)雜的多，需要考慮到誤開(kāi)通。誤開(kāi)通是由高    速變化的dv/dt，通過(guò)米勒電容Cgd耦合到門(mén)極產(chǎn)生門(mén)極電壓變化，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)ΔVgs超過(guò)閾值電壓而造成的。因此誤開(kāi)通不僅和閾值電壓Vgs(th)有關(guān)，還與dv/dt產(chǎn)生的電壓變化有關(guān)。

（1）對(duì)于-3V或-5V關(guān)斷電壓如何選擇

首先參考SiC MOSFET的DATASHEET上推薦的關(guān)斷電壓。再考慮門(mén)極電壓閾值裕度為

ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 當(dāng)dv/dt趨于無(wú)窮大時(shí)，dv/dt產(chǎn)生的門(mén)極電壓變化為：

ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss?？芍?dāng)門(mén)極電壓閾值裕度ΔVgs_th越大于dv/dt造成的門(mén)極電壓變化ΔVgs時(shí)，器件Vgs_off安全裕度越大，誤開(kāi)通風(fēng)險(xiǎn)越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增加。

富昌設(shè)計(jì)小建議：綜合考量計(jì)算ΔVgs_th 后，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)ΔVgs，可以進(jìn)一步提升實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性和性能。

（2）對(duì)于0V關(guān)斷電壓探討

雖然驅(qū)動(dòng)電壓Vgs為0V時(shí)已經(jīng)可以關(guān)斷SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET誤導(dǎo)通，導(dǎo)致設(shè)備損壞，故而不推薦使用。當(dāng)然如果是設(shè)計(jì)的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足夠大，并且充分考慮到ΔVgs對(duì)SiC MOSFET誤導(dǎo)通的影響下，客戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)而定。

富昌設(shè)計(jì)小建議：重點(diǎn)考慮dv/dt造成的ΔVgs以及環(huán)路等效電感，對(duì)誤導(dǎo)通的影響，在設(shè)置Vgs_off=0V時(shí)，才能讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

Vgs(th)漂移帶來(lái)的影響，以及影響Vgs(th)的因素

由于寬禁帶半導(dǎo)體SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半導(dǎo)體氧化層界面特性，會(huì)引起閾值電壓變化以及漂移現(xiàn)象。為了理解這些差異，解釋這些差異與材料本身特性的關(guān)系，評(píng)估其對(duì)應(yīng)用、系統(tǒng)的影響，需要更多的研究及探索。

（1）Vth漂移對(duì)應(yīng)用的影響

長(zhǎng)期來(lái)看，對(duì)于給定的Vgs, 閾值漂移的主要影響在于會(huì)增加Rds(on)。通常來(lái)說(shuō)，增加 Rds(on)會(huì)增加導(dǎo)通損耗，進(jìn)而增加結(jié)溫。在計(jì)算功率循環(huán)時(shí)，需要把這個(gè)增加的結(jié)溫也考慮進(jìn)去。

富昌設(shè)計(jì)小建議：如果開(kāi)關(guān)損耗占比總損耗較高時(shí)，可以忽略Vgs(th) 漂移導(dǎo)致的開(kāi)通損耗。

（2）Vth漂移對(duì)器件的基本功能不會(huì)被影響，主要有：

●    耐壓能力不會(huì)受影響；

●    器件的可靠性等級(jí)，如抗宇宙射線能力，抵抗?jié)駳獾哪芰Φ炔粫?huì)受影響；

●    Vth漂移會(huì)對(duì)總的損耗有輕微影響；

（3）影響Vth漂移的參數(shù)主要包括：

●    開(kāi)關(guān)次數(shù)，包括開(kāi)關(guān)頻率與操作時(shí)間；

●    驅(qū)動(dòng)電壓，主要是Vgs_off；

（4）以下參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)操作引起的Vth漂移沒(méi)有影響：

●    結(jié)溫；

●    漏源電壓，漏極電流；

●    dv/dt, di/dt；

總結(jié)

本文主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)本身對(duì)SiC MOSFET在使用過(guò)程中的影響做出討論。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)置的Vgs電壓是對(duì)設(shè)備的可靠性，功率損耗以及驅(qū)動(dòng)電路的兼容性等因素的綜合考慮。理論計(jì)算只是設(shè)計(jì)參考的一部分，也可以考慮實(shí)際測(cè)量獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)修正設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)際測(cè)量得到的ΔVgs，對(duì)設(shè)置Vgs_off會(huì)更有參考價(jià)值，并且會(huì)使得SiC MOSFET應(yīng)用設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定且充分利用其性能。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓Vgs的設(shè)置還會(huì)受到驅(qū)動(dòng)電阻Ron與Roff、驅(qū)動(dòng)電流以及驅(qū)動(dòng)回路等影響，此處不做展開(kāi)探討，富昌電子將在后續(xù)連載文章中逐步剖析，敬請(qǐng)期待。