行业 | 用于工业和汽车级碳化硅MOSFET功率模块的高温栅极驱动

各行业所需高温半导体解决方案的领导者CISSOID公司在7月17日–20日于北京举行的“第二届亚太碳化硅及相关材料国际会议”上，CISSOID首席技术官Pierre Delatte发表了题为“一种用于工业和汽车级碳化硅MOSFET功率模块的高温栅极驱动器”的论文，并介绍了公司在该领域的最新研究开发成果。

CISSOID首席技术官Pierre Delatte先生

当今，碳化硅（SiC）在汽车制造商的大力追捧下方兴未艾，碳化硅技术可以提供更高的能效和增加功率密度；在工业应用方面，越来越多的人则被碳化硅技术的优点所吸引。为了充分发挥碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）在快速开关和低损耗方面的优势，依然需要应对两个主要的挑战：一是实现精心优化的低感抗负载（寄生感抗）功率模块，二是采用强劲可靠且快速的栅极驱动器来高可靠和高能效地驱动碳化硅工作。对于SiC MOSFET驱动器，主要有以下几个方面的要求：

面向高能效的快速开关能力（高dV/dt）

面向高功率密度的高开关频率

高压稳健性

运行操作安全可靠

CISSOID在论文中提出了一种新的栅极驱动板，其额定温度为125°C（Ta），它还针对采用半桥式SiC MOSFET的62mm功率模块进行了优化。这款采用CISSOID HADES栅极驱动器芯片组的电路板的额定温度为175°C（Tj），并为工业应用中使用的高密度功率转换器设计提供了散热设计余量。基于相同的技术，目前正在为基于碳化硅的电动汽车电源逆变器开发三相栅极驱动板。

SiC MOSFET支持快速开关和低开关损耗。通过减少外部栅极电阻从而增加了峰值栅极电流和dV/dt，进一步降低了开关损耗。因此，栅极驱动器必须能够提供高峰值栅极电流以实现高功率效率。为了限制dV/dt并避免模块内部扰动，通常对碳化硅功率模块进行内部阻尼抑制。CAS300M12BM2模块的内部栅极电阻为3欧姆。当驱动电压为+20V/-5V时，内部栅极电阻将峰值栅极电流限制在8.3A。通常建议增加最小的外部栅极电阻，例如2.5欧姆，以避免任何干扰，且将峰值电流限制在4.5A。当温度为125°C且最大峰值栅极电流为10A时，CMT-TIT8243栅极驱动器可以以最大的dV/dt驱动1200V/300A碳化硅功率模块，从而使开关转换损耗变得最小。

如果希望通过高dV/dt来减少开关损耗，则会使栅极驱动器的设计变得更具挑战性。事实上，高dV/dt通过诸如电源变压器和数字隔离器等隔离阻断的寄生电容时，会产生高共模电流来干扰栅极驱动器的运行，并产生不必要的行为，如附加的开机或关机。CMT-TIT8243栅极驱动器的设计旨在提供针对高dV/dt的鲁棒性：为了实现低寄生电容而对电源变压器进行了优化，以尽量降低共模电流。高压侧驱动器和包括电源变压器和隔离器在内的主功能侧之间的总寄生电容小于10pF。CMT-TIT8243保证在dV/dt>50kv/μs下正常工作。此外CMTTIT8243栅极驱动器还具有用于输入脉宽调制信号的RS-422差分接口，以提高功率级快速转换期间的信号完整性。

得益于低开关转换损耗，碳化硅晶体管能够在处于控制下的功率器件保持冷却的同时，实现电源转换器的高开关频率。这就缩减了滤波器和变压器的尺寸，也大大减小了电源转换器的尺寸和重量。为了保证高频开关操作的安全，栅极驱动器的隔离DC-DC转换器必须能够提供足够的平均栅极电流，其计算方法是栅极总电荷乘以开关频率。CMT-TIT8243栅极驱动器可以为每个通道提供95mA的平均栅极电流。在800V/300A下，1200 V/300A SiC MOSFET模块的总栅极电荷约为1µC，这意味着栅极驱动器可以在92kHz的开关频率下工作。实际上，最大开关频率将受到功率模块中开关损耗的限制，而不是受到栅极驱动器的限制。

高温高压隔离栅驱动器用于62mm SiC MOSFET电源模块

由于工作时可承受的结温度更高，SiC MOSFET技术也有助于实现高功率密度。随着转换器内部功率密度的增加，环境温度也随之升高。人们在努力使得电源模块降温的时候，他们却往往忽视了栅极驱动器的冷却。在不降低最大平均栅极的电流时，CMT-TIT8243的栅极驱动器的环境工作温度为125°C，为高功率密度转换器提供了更高的温度余量，从而简化了其散热设计和机械设计。当SiC MOSFET的导通电阻随栅极至源极电压的降低而降低时，具有稳定和准确的正驱动电压是非常重要的。必须处理正驱动电压的重要变化意味着在功率转换器的散热和温度控制设计中必须要有更大的余量。CMTTIT8243栅极驱动器的正驱动电压精度高于5%，这可以简化功率级的散热和温度控制设计。

碳化硅技术将高于600伏的阻断电压的各种最佳优势带给了用户。高dI/dt比在包括电源模块、母线和直流母线电容等电源回路中的寄生电感上产生了电压超调。栅极驱动器也面临这些高电压并必须保证高隔离。CMT-TIT8243栅极驱动器具有高隔离电压（在50赫兹/1分钟时为3600 Vrms），可在恶劣的电压环境下提供安全冗余，并且还设计了高隔离距离（creepace>14 mm，间隙>12 mm），以便在污染环境下安全运行：

最后但重要的是，故障保护对于快速开关碳化硅栅极驱动器至关重要，包括：

欠压解锁保护（UVLO）：监控输入主供电电压和辅助输出电压，当低于程序设定阈值时报告故障。

反重叠：在高侧和低侧的脉宽调制（PWM）信号之间强制实现最小的不重叠。

主动米勒钳位（AMC）：在关断后为负栅极电阻建立旁路，以保护功率场效应晶体管不受寄生性接通的影响。

去饱和检测：在接通电源及消隐时间后检查场效应晶体管是否放电，源电压是否低于阈值。否则，很可能意味着电源子系统发生了短路，必须关闭有源晶体管。

软关机：在出现故障的情况下，功率晶体管进行缓慢关闭，以将高dI/dt的超调影响降到最低。