如何優化SiC MOSFET的柵極驅動？這款IC方案推薦給您

在高壓開關電源應用中，相較傳統的硅MOSFET和IGBT，碳化硅（以下簡稱“SiC”）MOSFET有明顯的優勢。使用硅MOSFET可以實現高頻（數百千赫茲）開關，但它們不能用于非常高的電壓（>1000 V）。而IGBT雖然可以在高壓下使用，但其 "拖尾電流 "和緩慢的關斷使其僅限于低頻開關應用。SiC MOSFET則兩全其美，可實現在高壓下的高頻開關。然而，SiC MOSFET的獨特器件特性意味著它們對柵極驅動電路有特殊的要求。了解這些特性后，設計人員就可以選擇能夠提高器件可靠性和整體開關性能的柵極驅動器。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動電路的要求，然后介紹了一種能夠解決這些問題和其它系統級考慮因素的IC方案。

 一  SiC MOSFET特性

與硅器件相比，SiC MOSFET的跨導（增益）更低，內部柵極電阻更高，其柵極導通閾值可能低于2 V。因此，在關斷狀態下，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之間，以降低導通狀態下的導通電阻（R_DS）。SiC MOSFET工作在低V_GS下可能會導致熱應力或由于高R_DS而可能導致故障。與低增益相關的其他影響會直接影響幾個重要的動態開關特性，在設計適當的柵極驅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。

 二  導通電阻

在低VGS時，一些SiC器件的導通電阻與結溫特性之間的關系曲線看起來是拋物線*（由于內部器件特性的組合）。(*這適用于安森美M1和M2 SiC MOSFET。)當V_GS = 14 V時，R_DS似乎具有負溫度系數(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并聯工作在低V_GS(負溫度系數)下，可能會導致災難性損壞。因此，只有當V_GS足以確保可靠的正溫度系數工作時（即V_GS>18V），才建議將SiC MOSFET并聯工作。

圖1：M1或M2 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關系曲線

新一代M3 SiC在所有V_GS和所有溫度范圍都顯示正溫度系數

圖2：M3 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關系曲線

 三  柵極電荷

向SiC MOSFET施加柵源電壓(V_GS)時，電荷被傳輸以盡快使V_GS從V_GS(MIN)(V_EE)和V_GS(MAX)(V_DD)升高。由于器件的內部電容是非線性的，因此可以使用V_GS與柵極電荷(Q_G)的關系曲線來確定在給定的V_GS下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET的這種 "米勒平臺 "發生在較高的V_GS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，V_GS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，Q_G = 0 nC(關斷SiC MOSFET所需的電荷量) 不會發生在V_GS = 0 V時，因此V_GS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系

使用負柵極驅動阻斷電壓主要是為了減少關斷狀態下的漏電流。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損耗，主要是在關斷期間的開關損耗。

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

 四 欠壓保護(DESAT)

DESAT保護是一種過電流檢測，起源于IGBT的驅動電路。在導通時，如果IGBT不能再保持飽和狀態（"去飽和"），集電極-發射極電壓就會上升，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 "功能監測IGBT的集電極-發射極電壓，并檢測何時出現潛在的破壞性條件。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V_DS可能上升。如果導通期間的最大V_GS太低，柵極驅動導通沿太慢，或者存在短路或過載情況，就會出現這種不理想的條件。在滿載ID的情況下，R_DS會增加，導致V_DS意外上升。當SiC MOSFET發生欠飽和事件時，V_DS的反應非常迅速，而最大漏極電流繼續流過不斷增加的導通電阻。當V_DS達到預定的閾值時，就可以激活保護。應特別注意避免感測V_DS的延遲，因為延遲會掩蓋這種現象。因此，DESAT是柵極驅動電路的一個重要的輔助性保護。

 五 動態開關

SiC MOSFET的導通和關斷狀態有四個不同的階段。所示的動態開關波形呈現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，以及對設計好的柵極驅動電路的重視，對于優化開關電源應用中使用的SiC MOSFET的性能都是至關重要的。

圖4：SiC MOSFET導通序列的4個階段

 六 柵極驅動電路的設計要求

●   對于大多數SiC MOSFET，驅動電壓在-5 V > V_GS > 20 V之間時性能最佳。柵極驅動電路應能承受V_DD = 25 V和V_EE = -10 V，以適用于最廣泛的可用器件

●   V_GS必須有快速的上升沿和下降沿(在幾ns范圍內)

●   在整個米勒平臺區域內，有能力提供高的峰值柵極灌電流和拉電流（數安培）

●   當V_GS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。10A左右的峰值灌電流最小額定值應適用于高性能、半橋電源拓撲結構

●   V_DD欠壓鎖定(UVLO)水平，與開關開始前V_GS>~16 V的要求相匹配

●   V_EE UVLO監測能力確保負電壓軌在可接受的范圍內

●   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

●   支持高速開關的低寄生電感

●   小尺寸驅動器封裝，布局盡可能靠近SiC MOSFET

 七 柵極驅動器方案

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

●   V_DD正電源電壓最高28V

●   高峰值輸出電流：6 A拉電流和10 A灌電流

●   內置5 V基準可用于偏置5 V、20 mA以下的低功耗負載（數字隔離器、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

●   內置熱關斷保護

●   單獨的非反相和反相TTL、PWM輸入

圖5：NCP51705 SiC柵極驅動器框圖

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計出可靠的SiC MOSFET柵極驅動電路。這些功能包括：

●   欠壓保護(DESAT)

●   電荷泵 (用于設置負電壓軌)

●   可編程的欠壓鎖定(UVLO)

●   數字同步和故障報告

●   24引腳，4毫米×4毫米，熱增強型MLP封裝，便于板級集成

 八 總結

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

作者：安森美業務拓展工程師Didier Balocco