與硅基開關相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 具有一系列優勢，在功率半導體行業取得了重大進展。這些包括更快的開關、更高的效率、更高的電壓操作和更高的溫度，從而產生更小、更輕的設計。

這些特性帶來了一系列汽車和工業應用。但 SiC 等寬帶隙器件也會帶來設計挑戰，包括電磁干擾 (EMI)、過熱和過壓情況，這些問題可以通過選擇正確的柵極驅動器來解決。

由于柵極驅動器用于驅動功率器件。確保使用 SiC 進行優化設計的一種方法是其中就有仔細考慮柵極驅動器的選擇。同時，它需要仔細研究設計的關鍵要求——效率、密度，當然還有成本——因為根據應用要求，總是需要權衡。

盡管 SiC 具有固有的優勢，但成本仍然是采用的障礙。電源 IC 制造商表示，在零件的基礎上比較 SiC 與硅時，除非設計人員考慮總解決方案成本，否則它們將更加昂貴且難以證明其合理性。

讓我們首先討論 SiC 與硅 MOSFET 或 IGBT 的應用、優勢和權衡。SiC FET 具有更低的導通電阻（得益于更高的擊穿電壓）、高飽和速度（可實現更快的開關）以及三倍的帶隙能量增加。其結果是結溫更高，從而改善冷卻效果。同時，熱導率提高了三倍，轉化為更高的功率密度。

業界一致認為低壓 Si MOSFET 和氮化鎵在 <700V 范圍內工作。在此之上就是 SiC 發揮作用的地方，在較低功率范圍內有一些重疊。

SiC 主要取代 600 V 以上和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型應用，在 11 kW 左右時更是如此。Microchip Technology 產品線總監 Rob Weber 表示，這是 SiC 的最佳選擇，可提供高電壓運行、低開關損耗和更高的開關頻率。

Weber說，這些屬性允許使用更小的濾波器和無源器件，同時減少冷卻需求。“我們談論的是相對于 IGBT 的系統級優勢，最終是尺寸、成本和重量的減小。

“例如，在 30kHz 開關頻率下，您可以將損耗降低高達 70%”他補充道。

一個關鍵的工程基準是效率，這會導致改進水平。Weber 表示，另一個 SiC 成本效益指標正在出現：相對于 IGBT 的系統級優勢。

“使用碳化硅，您可以在更高的開關頻率下運行，這使您能夠在直接功率級周圍使用更小的外部組件，例如濾波器，它們是又大又重的磁性設備。”他解釋說，它們還“由于開關損耗較低而在更高的溫度下運行或在更低的溫度下運行，用風冷系統取代液冷系統，并縮小了散熱器的尺寸”。

Weber 斷言，組件尺寸和重量的減小也意味著成本的降低，這意味著 SiC 提供的不僅僅是更高的效率。

然而，在零件價格比較中，SiC 仍然比傳統硅基 IGBT 更昂貴。Weber 表示：“每個制造商的 SiC 模塊成本都會更高，但從整個系統來看，SiC 系統成本較低。”

在另一個示例中，Microchip 客戶在使用 SiC MOSFET 時能夠將系統成本降低 6%。一旦設計人員轉向 SiC，他們還需要考慮權衡。功率半導體制造商一致認為，必須克服噪聲、EMI 和過壓等“二次效應”。

“當你更快地切換這些設備時，你可能會產生更多的噪聲，這將轉化為 EMI，”Weber 說。“此外，雖然 SiC MOSFET在較高電壓下表現出色，但在短路條件下以及電壓發生變化時，其穩健性也遠不如 IGBT。會出現過壓情況，這導致一些設計人員使用參考電壓比額定電壓更高的 SiC 器件，以便更好地控制過壓和過熱。”

這就是柵極驅動器的選擇發揮關鍵作用的地方。SiC 對電源電壓、快速短路保護和高 dv/dt 抗擾度等特性帶來了獨特的要求。

選擇柵極驅動器

在將碳化硅開關與硅基器件進行比較時，為碳化硅開關選擇合適的柵極驅動器需要新的思維方式。需要關注的關鍵領域包括拓撲、電壓、偏置以及監控和保護功能。

Weber 表示，以前，使用順序方法來選擇柵極驅動器是可以接受的。“在采用 SiC 之前，您首先會選擇 IGBT，然后是柵極驅動器，然后是母線和電容器”他說。“完全變了。您必須著眼于正在構建的整體解決方案以及每一步的權衡，而不是采用 IGBT 的順序方法。這對很多客戶來說都是一次教育。”

此外，還有各種在功能、集成度和價格方面有所不同的 SiC 柵極驅動器，針對簡單到更復雜的設計。

德州儀器 (TI) 高壓電源系統工程負責人 Lazlo Balogh 表示，拓撲、功率水平、保護和功能安全要求以及正在使用的 SiC 器件決定了應用所需的驅動器類型

例如，非隔離驅動器可能需要很多額外的電路，Balogh 說。

還有一些隔離驅動器可以處理負偏置和隔離問題，但仍然需要某種類型的系統監控。他補充說，這對于提供進一步集成的設備來說是正確的，例如汽車應用的監控和保護電路以及功能安全。

“正確部署 SiC 的清單是查看拓撲以及必須驅動哪種類型的設備，然后選擇柵極驅動器，優化偏置，找出需要哪種保護，然后優化布局，”巴洛說。

阻礙 SiC 應用的障礙之一是需要更高開關速度的特殊封裝以消除源電感。

Balogh 說，這通常是通過開爾文源連接完成的。“源電感可能很糟糕，會導致大量額外的功率損耗，因為它會減慢開關動作。”

“這就是布局工程師成為你最好的朋友的地方，因為你確實必須查看布局優化它以實現高速開關，”Balogh 說。他補充說，這包括最大限度地減少走線電感、分離柵極和電源環路，以及通過選擇正確的組件來適當旁路開關電流路徑和寬頻帶。

Balogh 說，真正關鍵的是將驅動器連接到開關。他說，設計人員必須將驅動器的地直接連接到電源開關的源極，因為雜散電感會增加開關損耗。

供應商同意可以使用標準驅動程序來控制 SiC 設備。盡管如此，設計人員必須確定權衡的，這通常需要額外的電路或更大的外部設備。例如，使用標準驅動器時減少振鈴和過壓的一種方法是增加柵極電阻器的尺寸。

TI 的 Balogh 表示，其他考慮因素包括保護功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開關和芯片熱點，所有這些都可以決定功率損耗、EMI 和尺寸。

此外，額外的電路通常比專用 SiC 占用更多的空間。因此，高端設計通常選擇專用的 SiC 核心驅動器，這會考慮到更快的開關、過壓條件以及噪聲和 EMI 等問題。他說：“你總是可以使用標準柵極驅動器，但你必須用額外的電路來補充它，通常這就是權衡。”