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（>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 這些問題和其他系統級考慮因素的?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,以降低導通狀態下的導通電阻（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。?

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?VGS?=?14 V?時,RDS?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?VGS( 負溫度系數 ) 下, 可能會導致災難性損壞。因此,只有當?VGS?足以確保 可靠的正溫度系數工作時（即?VGS?>?18 V）,才建議將?SiC MOSFET?并聯工作。

新一代?M3 SiC?在所有?VGS?和所有溫度范圍都顯示 正溫度系數

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。由于器件的內部電容是非線性的,因此 可以使用?VGS?與柵極電荷（QG）的關系曲線來確定 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,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（關斷?SiC MOSFET?所需的電荷量）不會發生在?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。

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?VGS?為 -5 V?

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?VDS?可能上升。如果導通期間的最大?VGS?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,RDS?會增加, 導致VDS意外上升。當SiC MOSFET發生欠飽和事件時,?VDS?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?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 遲會掩蓋這種現象。因此,DESAT?是柵極驅動電路的 一個重要的輔助性保護。

動態開關? ? ?

SiC MOSFET?的導通和關斷狀態有?4?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。?

柵極驅動電路的設計要求

為了補償器件低增益,同時實現高效、高速的開關, 對?SiC?柵極驅動電路有以下關鍵要求。

●? 對于大多數?SiC MOSFET,驅動電壓在 -5 V?>??VGS?>?20 V?之間時性能最佳。柵極驅動電路應能承受?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 )。

● 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?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、半橋電源拓撲結構。

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

●?VEE 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。

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：?

●?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。

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 mm×4 mm,熱增強型?MLP?封裝, 便于板級集成。

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。

審核編輯：劉清