優(yōu)化SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)

在高壓開關(guān)電源應(yīng)用中，相較傳統(tǒng)的硅MOSFET和IGBT，碳化硅（以下簡(jiǎn)稱“SiC”）MOSFET 有明顯的優(yōu)勢(shì)。使用硅MOSFET可以實(shí)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(yīng)用。SiC MOSFET則兩全其美，可實(shí)現(xiàn)在高壓下的高頻開關(guān)。然而，SiC MOSFET 的獨(dú)特器件特性意味著它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路有特殊的要求。了解這些特性后，設(shè)計(jì)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(dòng)器。在這篇文章中，我們討論了SiC MOSFET 器件的特點(diǎn)以及它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)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(jí)考慮因素的IC 方案。

SiC MOSFET特性

與硅器件相比，SiC MOSFET 的跨導(dǎo)（增益）更低，內(nèi)部柵極電阻更高，其柵極導(dǎo)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(fù)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(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻（RDS）。SiC MOSFET 工作在低VGS 下可能會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力或由于高RDS 而可能導(dǎo)致故障。與低增益相關(guān)的其他影響會(huì)直接影響幾個(gè)重要的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性，在設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮這些影響，包括導(dǎo)通電阻、柵極電荷（米勒平臺(tái)）和過電流（DESAT）保護(hù)。

導(dǎo)通電阻

在低VGS 時(shí)，一些SiC 器件的導(dǎo)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(dāng)VGS = 14 V 時(shí)，RDS 似乎具有負(fù)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(dú)特特征直接歸因于其低增益，這意味著如果兩個(gè)或更多的SiC MOSFET 并聯(lián)工作在低VGS( 負(fù)溫度系數(shù)) 下，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。因此，只有當(dāng)VGS 足以確?？煽康恼郎囟认禂?shù)工作時(shí)（即VGS > 18 V），才建議將SiC MOSFET 并聯(lián)工作。

圖1 M1或M2 SiC MOSFET的導(dǎo)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?xùn)旁措妷?(VGS) 時(shí)，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(tái)“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(tái)意味著在相應(yīng)的電荷范圍內(nèi)，VGS 不是不變的，這也是由于器件低增益導(dǎo)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(huì)發(fā)生在VGS = 0 V 時(shí)，因此VGS 必須為負(fù)（本例中為-5 V），以使柵極完全放電。

由于我們想測(cè)量導(dǎo)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(gè)數(shù)值也叫Qg。這可能會(huì)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(chǔ)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(fù)柵極驅(qū)動(dòng)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(dǎo)增益低造成的。使用負(fù)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(duì)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(hù)(DESAT)

DESAT 保護(hù)是一種過電流檢測(cè)，起源于IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路。在導(dǎo)通時(shí)，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(huì)上升，同時(shí)全集電極電流流過。顯然，這對(duì)效率有不利影響，在最壞的情況下，可能導(dǎo)致IGBT 的災(zāi)難性故障。所謂的“DESAT“功能監(jiān)測(cè)IGBT 的集電極- 發(fā)射極電壓，并檢測(cè)何時(shí)出現(xiàn)潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET 中的故障機(jī)制有些不同，但會(huì)有類似的情況，在最大ID 流過時(shí)VDS 可能上升。如果導(dǎo)通期間的最大VGS 太低，柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通沿太慢，或者存在短路或過載情況，就會(huì)出現(xiàn)這種不理想的條件。在滿載ID 的情況下，RDS 會(huì)增加，導(dǎo)致VDS意外上升。當(dāng)SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時(shí)，VDS 的反應(yīng)非常迅速，而最大漏極電流繼續(xù)流過不斷增加的導(dǎo)通電阻。當(dāng)VDS 達(dá)到預(yù)定的閾值時(shí)，就可以激活保護(hù)。應(yīng)特別注意避免感測(cè)VDS 的延遲，因?yàn)檠舆t會(huì)掩蓋這種現(xiàn)象。因此，DESAT 是柵極驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)重要的輔助性保護(hù)。

動(dòng)態(tài)開關(guān)

SiC MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)有4 個(gè)不同的階段。所示的動(dòng)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(shí)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(huì)極大地影響實(shí)際波形。合適的器件選擇、最佳的PCB 布局，以及對(duì)設(shè)計(jì)好的柵極驅(qū)動(dòng)電路的重視，對(duì)于優(yōu)化開關(guān)電源應(yīng)用中使用的SiCMOSFET 的性能都是至關(guān)重要的。

柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求

為了補(bǔ)償器件低增益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、高速的開關(guān)，對(duì)SiC 柵極驅(qū)動(dòng)電路有以下關(guān)鍵要求。

● 對(duì)于大多數(shù)SiC MOSFET，驅(qū)動(dòng)電壓在-5 V >VGS > 20 V 之間時(shí)性能最佳。柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)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(gè)米勒平臺(tái)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(dāng)VGS 下降到米勒平臺(tái)以下時(shí)，需要提供一個(gè)非常低的阻抗保持或 “鉗位”，以實(shí)現(xiàn)高的灌電流能力。灌電流的額定值應(yīng)超過僅對(duì)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(yīng)適用于高性能、半橋電源拓?fù)浣Y(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(cè)能力確保負(fù)電壓軌在可接受的范圍內(nèi)。

● 能夠檢測(cè)、報(bào)告故障和提供保護(hù)的去飽和功能，使SiC MOSFET 長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

● 支持高速開關(guān)的低寄生電感。

● 小尺寸驅(qū)動(dòng)器封裝，布局盡可能靠近SiC MOSFET。

圖4 SiC MOSFET導(dǎo)通序列的4個(gè)階段

柵極驅(qū)動(dòng)器方案

安森美的NCP51705 是一款SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器IC，提供高的設(shè)計(jì)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(dòng)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(zhǔn)可用于偏置5 V、20 mA 以下的低功耗負(fù)載（數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器等）；

● 單獨(dú)的信號(hào)和電源接地連接；

● 單獨(dú)的源和灌輸出引腳；

● 內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)；

● 單獨(dú)的非反相和反相TTL、PWM 輸入。

圖5 NCP51705 SiC柵極驅(qū)動(dòng)器框圖

然而，該IC 集成幾個(gè)獨(dú)特的功能，能夠以最少的外部元器件設(shè)計(jì)出可靠的SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路。這些功能包括：

● 欠壓保護(hù)（DESAT）；

● 電荷泵（用于設(shè)置負(fù)電壓軌）；

● 可編程的欠壓鎖定（UVLO）；

● 數(shù)字同步和故障報(bào)告；

● 24 引腳，4 mm×4 mm，熱增強(qiáng)型MLP 封裝，便于板級(jí)集成。

總結(jié)

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）