用于SiC MOSFET的帶可配置浮動雙極性輔助電源的隔離柵極驅動IC

作為電子工程師，在功率電子設計中，碳化硅（SiC）MOSFET的應用越來越廣泛。然而，要充分發揮其性能，合適的柵極驅動解決方案至關重要。今天，我們就來詳細探討一下KIT_1EDB_AUX_SiC，這是一款專門為SiC MOSFET設計的完整驅動解決方案。

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一、KIT_1EDB_AUX_SiC概述

KIT_1EDB_AUX_SiC包含一個隔離單通道柵極驅動IC（EiceDRIVER? 1EDB9275F）和一個由緊湊型雙通道非隔離柵極驅動IC（EiceDRIVER? 2EDN7533B）實現的浮動輔助電源。該電路板的引腳與EiceDRIVER? 1EDB9275F本身以及行業標準150 mil DSO - 8封裝的等效驅動器兼容，是一種易于插拔的解決方案。它允許在已包含這些隔離柵極驅動器的設計中進行測試，特別是在設計中原本使用自舉電路，但由于調制方案或拓撲結構變化而無法使用的情況下。

二、驅動SiC MOSFET的要求

2.1 高RDS(on)對VGS的依賴性及精確正電源的需求

與標準硅（Si）MOSFET相比，SiC器件的驅動電壓要求更高，正柵源電壓通常從15V增加到20V（英飛凌CoolSiC?推薦18V）。而且，SiC器件的跨導gm呈現出很強的線性特性，小的VGS差異（如1或2V）可能會導致RDS(on)發生顯著變化。因此，考慮高精度的輔助電源至關重要。KIT_1EDB_AUX_SiC可以配置為典型的15V、18V或20V驅動，并且默認提供1%精度的穩壓正電源軌。例如，以±1%的精度在18V下驅動英飛凌CoolSiC? IMW65R027M1H，可確保在給定溫度下RDS(on)變化小于2%。

2.2 寄生再導通及負VGS電壓的需求

在半橋配置中，當低側或高側MOSFET進行硬開關導通時，開關節點的高dV/dt會感應出米勒電流。該電流流經互補器件的CGS和CGD柵極電容，拉高其柵源電壓。為避免額外損耗或嚴重的再導通，該感應電壓必須保持在V(GS)th柵極閾值電壓以下。英飛凌的CoolSiC?具有良好的再導通抗擾性和相對較高的柵極閾值（最小3.5V），通常單極18V驅動就足夠了。但為了獲得更多安全裕度，可以考慮使用雙極性電源，負電壓低至 - 1.5V。KIT_1EDB_AUX_SiC默認配置允許進行雙極性驅動，提供18V的穩壓正電源軌和10mA下的 - 1V非穩壓電源軌。

三、電路板描述

3.1 原理圖及總體描述

電路板包含EiceDRIVER? 1EDB9275F，這是一款單通道隔離柵極驅動IC，采用英飛凌的無芯變壓器（CT）技術，實現了3 kVRMS的輸入 - 輸出隔離。該驅動器針對驅動高端SiC器件進行了優化，可與EiceDRIVER? 1EDN9550B配合用于低端驅動。

原理圖頂部的電路是輔助電源，作為隔離式DC - DC轉換器工作，為EiceDRIVER? 1EDB9275F的次級側提供浮動電源VDDf至Vssf。電路板默認使用單電源電壓（VCCI），同時為EiceDRIVER? 1EDB9275F的初級側和隔離式DC - DC轉換器供電；也可以通過斷開跳線J1并短接跳線J2，使用不同的電壓（VCC11和VCC12）。

3.2 輔助環形振蕩器概念

輔助電源基于EiceDRIVER? 2EDN7533B，這是一款雙通道非隔離柵極驅動IC。其一個輸出（OUTA）反饋到輸入，形成“環形振蕩器”。當電源VCCI低于EiceDRIVER? 2EDN7533B的欠壓鎖定（UVLO）電平（4V）時，兩個輸出均被驅動器主動拉低；當電源達到UVLO時，驅動器喚醒，OUTA變高，OUTB保持低電平，同時開始通過電阻反饋路徑對C1充電；當INA達到驅動器輸入高閾值（VINH = 2.1V）時，OUTA變低，OUTB變高；當INA達到驅動器低輸入閾值（VINHL = 1.2V）時，一切反轉，振蕩建立。

3.3 雙極性Vpos/Vneg的尺寸設計

需要注意的是，不要將Conf. B、C或D用于英飛凌CoolSiC? MOSFET，因為電壓額定值不允許（靜態VGS低于 - 2V）。當使用高于10V的VCCI電源電壓時，應使用具有更高輸出電壓能力的不同柵極驅動器，如EiceDRIVER? 1ED3124MU12F。

3.4 使用案例示例及安裝

該電路板旨在替換主板上的單通道隔離柵極驅動IC。KIT_1EDB_AUX_SiC厚度為2.8mm，可以直接焊接到8引腳DSO 150 mil封裝的焊盤中，與主板的連接盡可能短，這對于連接柵極電阻以最小化朝向SiC MOSFET的柵極回路非常重要。也可以使用間距為1.27mm的合適連接器。與標準150 mil DSO - 8封裝相比，主板上的輸出接地引腳（GNDO）被輔助電源的中點取代，從而可以進行雙極性電源測試。

四、實驗結果

4.1 輸出調節

4.1.1 帶負載的輸出調節

默認情況下，只有正電源軌被穩壓，負電源軌則隨輔助負載變化，輔助負載取決于開關頻率和所選的SiC MOSFET。圖10顯示了不同負載下輔助輸出電壓Vpos和Vneg的行為。對于Conf. A，在輸出電流約為35mA時，1%的正電源軌穩壓會失效，因為負電壓變得非常低，無法保證TL432的最小0.7mA極化電流。35mA的負載電流涵蓋了該電路板的大多數潛在用例，但如果需要更高的電流，可以進一步減小R7。

4.1.2 輸入電源電壓VCCI不準確時的輸出調節

輔助DC - DC轉換器的輸入電源會有一定的不準確性，在考慮電壓調節時需要考慮這一點。圖12 - 15顯示了不同配置在典型5%精度下的輸出調節情況。建議為Conf. A提供至少2%精度的VCCI電源，在重載情況下，Conf. D也可以采用。

4.2 效率

圖16和圖17分別顯示了不同配置下效率與輸出功率、輸入電流和輸出電流的關系。效率測量是在沒有EiceDRIVER? 1EDB9275F的輔助電路上進行的，使用簡單電阻作為負載。

4.3 工作波形

輔助電源的工作波形如圖19和圖20所示。開關頻率的選擇要在滿足XT04變壓器6V/μs飽和極限的同時提供最高效率。變壓器上信號的占空比在標稱10V VCCI時設置為接近50%，在12V VCCI時略小。

4.4 啟動行為

圖21和圖22顯示了輔助電源在高負載條件下的快速和慢速啟動情況。啟動時需要檢查三個方面：一是驅動器能否處理反向電流應力；二是變壓器是否因低頻操作而飽和；三是產生的正負極電源軌電壓是否有對驅動的SiC MOSFET不關鍵的過沖或下沖。在該設計中，由于EiceDRIVER? 2EDN7533B具有較高的反向電流魯棒性，不需要限流電阻（R3）。

4.5 關機行為

圖25和圖26顯示了輔助電源在不同關機場景下的情況，包括通過直流電源發生器關閉輸入電壓和斷開輸入電壓以模擬“突然開路”。不同配置下關機時沒有出現關鍵的過沖或下沖。

4.6 輸出短路

圖28 - 30顯示了輔助電源輸出（Vtot、Vpos和Vneg）短路時的情況。輔助電路在三種應力條件下都能幸存，主變壓器不會長時間飽和，IC也不會失效。由于EiceDRIVER? 2EDN7533B具有較高的反向電流魯棒性，不需要限流電阻（R3）。

五、布局

電路板的布局如圖31所示，包括頂層、中間層1、中間層2和底層。表中給出了各層的詳細信息，如材料、類型、重量、厚度、介電常數（Dk）和損耗因子（Df）等。

六、附錄A

6.1 不需要1%穩壓時的電路板功能

如果不需要正電源軌的1%穩壓，并且所需的Vpos和Vneg不太不平衡（Vpos / 2VCCI小于80%作為經驗法則），可以通過調整OUTA - OUTB信號的占空比來實現雙極性Vpos / Vneg的分割。此時，應移除TL432穩壓器（U3）及其周圍電阻（R5、R6和R7），并短接R8。

6.1.1 環形振蕩器R1、R2和C1的尺寸設計

可以通過對INA的充電和放電階段進行操作來調整OUTA - OUTB信號的占空比和頻率。具體的尺寸設計步驟包括計算占空比、最小開關周期、固定C1的值、計算Rp = R1 // R2、計算R2，并確保所選值滿足相關方程。

KIT_1EDB_AUX_SiC為SiC MOSFET的驅動提供了一種靈活、高效的解決方案。通過合理的設計和配置，可以滿足不同應用場景下對SiC MOSFET驅動的需求。各位工程師在實際設計中，不妨根據具體情況進行選擇和優化。你在SiC MOSFET驅動設計中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區交流討論。