優(yōu)化SiC MOSFET的柵極驅(qū)動

在高壓開關(guān)電源應用中，相較傳統(tǒng)的硅MOSFET和IGBT，碳化硅（以下簡稱“SiC”）MOSFET 有明顯的優(yōu)勢。使用硅MOSFET可以實現(xiàn)高頻（數(shù)百千赫茲）開關(guān)，但它們不能用于非常高的電壓（>1 000 V）。而IGBT 雖然可以在高壓下使用，但其 “拖尾電流 “和緩慢的關(guān)斷使其僅限于低頻開關(guān)應用。SiC MOSFET則兩全其美，可實現(xiàn)在高壓下的高頻開關(guān)。然而，SiC MOSFET 的獨特器件特性意味著它們對柵極驅(qū)動電路有特殊的要求。了解這些特性后，設(shè)計人員就可以選擇能夠提高器件可靠性和整體開關(guān)性能的柵極驅(qū)動器。在這篇文章中，我們討論了SiC MOSFET 器件的特點以及它們對柵極驅(qū)動電路的要求，然后介紹了一種能夠解決這些問題和其他系統(tǒng)級考慮因素的IC 方案。

SiC MOSFET特性

與硅器件相比，SiC MOSFET 的跨導（增益）更低，內(nèi)部柵極電阻更高，其柵極導通閾值可能低于2 V。因此，在關(guān)斷狀態(tài)下，必須向SiC MOSFET 施加負柵源電壓（通常為-5 V）。SiC 器件的柵源電壓通常要求在18 V ~ 20 V，以降低導通狀態(tài)下的導通電阻（RDS）。SiC MOSFET 工作在低VGS 下可能會導致熱應力或由于高RDS 而可能導致故障。與低增益相關(guān)的其他影響會直接影響幾個重要的動態(tài)開關(guān)特性，在設(shè)計適當?shù)臇艠O驅(qū)動電路時必須考慮這些影響，包括導通電阻、柵極電荷（米勒平臺）和過電流（DESAT）保護。

導通電阻

在低VGS 時，一些SiC 器件的導通電阻與結(jié)溫特性之間的關(guān)系曲線看起來是拋物線*（由于內(nèi)部器件特性的組合）。(* 這適用于安森美M1 和M2 SiC MOSFET。)當VGS = 14 V 時，RDS 似乎具有負溫度系數(shù)(NTC) 特性，即電阻隨溫度升高而降低。SiC MOSFET 的這一獨特特征直接歸因于其低增益，這意味著如果兩個或更多的SiC MOSFET 并聯(lián)工作在低VGS( 負溫度系數(shù)) 下，可能會導致災難性損壞。因此，只有當VGS 足以確?？煽康恼郎囟认禂?shù)工作時（即VGS > 18 V），才建議將SiC MOSFET 并聯(lián)工作。

圖1 M1或M2 SiC MOSFET的導通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線

新一代M3 SiC 在所有VGS 和所有溫度范圍都顯示正溫度系數(shù)。

柵極電荷

向SiC MOSFET 施加柵源電壓 (VGS) 時，電荷被傳輸以盡快使VGS 從VGS (MIN) (VEE) 和VGS (MAX)(VDD) 升高。由于器件的內(nèi)部電容是非線性的，因此可以使用VGS 與柵極電荷（QG）的關(guān)系曲線來確定在給定的VGS 下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET 的這種 “米勒平臺“發(fā)生在較高的VGS 上，而且不像硅MOSFET 那樣平坦。不平坦的米勒平臺意味著在相應的電荷范圍內(nèi)，VGS 不是不變的，這也是由于器件低增益導致的。同樣值得注意的是，QG = 0 nC（關(guān)斷SiCMOSFET 所需的電荷量）不會發(fā)生在VGS = 0 V 時，因此VGS 必須為負（本例中為-5 V），以使柵極完全放電。

由于我們想測量導通或關(guān)斷SiC MOSFET 所需的電荷量，我們的曲線只繪制了Qg 的增量（或Qg 的累積或Qg 的變化）。這個數(shù)值也叫Qg。這可能會引起混淆。我們需要將這張圖解讀為需要的能量，而不純粹是存儲在柵源電容器中的能量。

圖3 SiC MOSFET柵源電壓與柵極電荷的關(guān)系

使用負柵極驅(qū)動阻斷電壓主要是為了減少關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流。這也是由于跨導增益低造成的。使用負的阻斷電壓還可以減少開關(guān)損耗，主要是在關(guān)斷期間的開關(guān)損耗。

因此，幾乎對于所有的SiC MOSFET，都建議在關(guān)斷狀態(tài)下使用的最小VGS 為-5 V < VGS (MIN) < -2 V，有些制造商規(guī)定電壓低至-10 V。

欠壓保護(DESAT)

DESAT 保護是一種過電流檢測，起源于IGBT 的驅(qū)動電路。在導通時，如果IGBT 不能再保持飽和狀態(tài)（“去飽和”），集電極- 發(fā)射極電壓就會上升，同時全集電極電流流過。顯然，這對效率有不利影響，在最壞的情況下，可能導致IGBT 的災難性故障。所謂的“DESAT“功能監(jiān)測IGBT 的集電極- 發(fā)射極電壓，并檢測何時出現(xiàn)潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET 中的故障機制有些不同，但會有類似的情況，在最大ID 流過時VDS 可能上升。如果導通期間的最大VGS 太低，柵極驅(qū)動導通沿太慢，或者存在短路或過載情況，就會出現(xiàn)這種不理想的條件。在滿載ID 的情況下，RDS 會增加，導致VDS意外上升。當SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時，VDS 的反應非常迅速，而最大漏極電流繼續(xù)流過不斷增加的導通電阻。當VDS 達到預定的閾值時，就可以激活保護。應特別注意避免感測VDS 的延遲，因為延遲會掩蓋這種現(xiàn)象。因此，DESAT 是柵極驅(qū)動電路的一個重要的輔助性保護。

動態(tài)開關(guān)

SiC MOSFET 的導通和關(guān)斷狀態(tài)有4 個不同的階段。所示的動態(tài)開關(guān)波形呈現(xiàn)的是理想工作條件的情況。然而，在實踐中，封裝寄生物，如引線和邦定線電感、寄生電容和PCB 布局會極大地影響實際波形。合適的器件選擇、最佳的PCB 布局，以及對設(shè)計好的柵極驅(qū)動電路的重視，對于優(yōu)化開關(guān)電源應用中使用的SiCMOSFET 的性能都是至關(guān)重要的。

柵極驅(qū)動電路的設(shè)計要求

為了補償器件低增益，同時實現(xiàn)高效、高速的開關(guān)，對SiC 柵極驅(qū)動電路有以下關(guān)鍵要求。

● 對于大多數(shù)SiC MOSFET，驅(qū)動電壓在-5 V >VGS > 20 V 之間時性能最佳。柵極驅(qū)動電路應能承受VDD = 25 V 和VEE = -10 V，以適用于最廣泛的可用器件。

● VGS 必須有快速的上升沿和下降沿( 在幾ns 范圍內(nèi))。

● 在整個米勒平臺區(qū)域內(nèi)，有能力提供高的峰值柵極灌電流和拉電流（數(shù)A）。

● 當VGS 下降到米勒平臺以下時，需要提供一個非常低的阻抗保持或 “鉗位”，以實現(xiàn)高的灌電流能力。灌電流的額定值應超過僅對SiC MOSFET 的輸入電容放電所需的電流。10 A 左右的峰值灌電流最小額定值應適用于高性能、半橋電源拓撲結(jié)構(gòu)。

● VDD 欠壓鎖定（UVLO）水平，與開關(guān)開始前VGS > ~16 V 的要求相匹配。

● VEE UVLO 監(jiān)測能力確保負電壓軌在可接受的范圍內(nèi)。

● 能夠檢測、報告故障和提供保護的去飽和功能，使SiC MOSFET 長期可靠運行。

● 支持高速開關(guān)的低寄生電感。

● 小尺寸驅(qū)動器封裝，布局盡可能靠近SiC MOSFET。

圖4 SiC MOSFET導通序列的4個階段

柵極驅(qū)動器方案

安森美的NCP51705 是一款SiC 柵極驅(qū)動器IC，提供高的設(shè)計靈活度和集成度，幾乎與任何SiC MOSFET兼容。NCP51705 集成許多通用柵極驅(qū)動器IC 所共有的功能，包括：

● VDD 正電源電壓最高28 V；

● 高峰值輸出電流——6 A 拉電流和10 A 灌電流；

● 內(nèi)置5 V 基準可用于偏置5 V、20 mA 以下的低功耗負載（數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器等）；

● 單獨的信號和電源接地連接；

● 單獨的源和灌輸出引腳；

● 內(nèi)置熱關(guān)斷保護；

● 單獨的非反相和反相TTL、PWM 輸入。

圖5 NCP51705 SiC柵極驅(qū)動器框圖

然而，該IC 集成幾個獨特的功能，能夠以最少的外部元器件設(shè)計出可靠的SiC MOSFET 柵極驅(qū)動電路。這些功能包括：

● 欠壓保護（DESAT）；

● 電荷泵（用于設(shè)置負電壓軌）；

● 可編程的欠壓鎖定（UVLO）；

● 數(shù)字同步和故障報告；

● 24 引腳，4 mm×4 mm，熱增強型MLP 封裝，便于板級集成。

總結(jié)

在選擇合適的柵極驅(qū)動器IC 時，SiC MOSFET 的低增益給設(shè)計人員帶來了難題。通用的低邊柵極驅(qū)動器不能高效和可靠地驅(qū)動SiC MOSFET。NCP51705 集成一系列功能，為設(shè)計人員提供了一個簡單、高性能、高速的解決方案，高效、可靠地驅(qū)動SiC MOSFET。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）