SiC功率器件的栅极驱动器电路优化

随着新型功率晶体管（例如 SiC Mosfets）越来越多地用于电力电子系统，因此有必要使用特殊的驱动器。隔离式栅极驱动器通过提供对 IGBT 和 MOSFET 的可靠控制，旨在满足 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）等技术所需的最高开关速度和系统尺寸限制。架构的演变可以满足新的效率水平和时序性能的稳定性，从而减少电压失真。ROHM Semiconductor 是基于碳化硅 (SiC) 技术的功率器件的参考点

为什么使用 SiC MOSFET

碳化硅技术可以提供多种优势（图 1）。

图 1：采用 SiC 技术带来的好处

First, we have a lower intrinsic resistance of the material, which allows having a smaller dice and ultimately smaller packages. This is a critical factor for complex components such as power devices, which generally include several layers in a bridge configuration. Moreover, a smaller die helps to optimize the internal layout better and reduces the parasitic capacitance. A second benefit involved in SiC technology is a higher operative frequency. Higher working frequency, achievable through a better dynamic of the material and higher switching rate, allows reducing the size of passive components (coil inductors, filters, and transformers), the ripple and in some cases also the input and output capacitance. A third benefit is related to the higher operative temperature, due to the higher working temperature of SiC material (that can reach up to two hundred degrees) and its better conductivity. Based on this, we can downsize the heat sink or, in some cases, simplify the cooling system. Sometimes it is even possible to migrate from liquid to forced air cooling system.

SiC MOSFET驱动电路的挑战与优化

更高的栅极电压

第一点与更高的栅极电压有关。图 2 显示了不同功率器件之间的比较：碳化硅 (SiC) MOSFET、功率 MOSFET 和硅 IGBT。

图2：不同功率器件对比

从输出特性（指不同的制造商）我们可以观察到电压电平存在很大的可变性。ROHM SiC MOSFET 现在是第三代，具有18V的典型栅源电压 (V GS )。我们现在有兴趣检查如果我们以不正确的电压电平驱动 SiC MOSFET 会发生什么：我们将从 18V 开始，逐渐将电压降低到 16V、14V 甚至更低。这方面很重要，因为现场也可能发生电压下降，这是由电源电压变化或其他因素引起的。在实验室中使用图 3 所示的设置进行了测试。

图 3：测试设置

测量电路基于输出功率为 5 kW 的升压器配置。从18V的 V GS开始，电压逐步降低到 14V 以下。在 13.4V 时，测试停止。测试结果如图 4 所示：正如预期的那样，R ds(on) 随着栅极电压的降低而增加。在 14V 左右（指被测器件），我们可以观察到温度急剧升高，必须在击穿（由于热失控）发生之前尽快停止测试。

图 4：R ds(on)和栅极电压

这种现象是众所周知的，因为 R ds(on)温度系数在 12V 到 14V 附近反转其符号。在 18V 时，温度系数为正：这意味着温度升高，R ds(on)会增加。然而，在低栅极电压下，温度系数为负，温度升高，R ds(on)减小。为避免热失控，某些类别的 SiC MOSFET 要求最低栅极电压为 14V。

另一个大问题是如何正确驱动 SiC MOSFET 以及我们是否可以为此使用硅 MOSFET。例如，考虑图 5 的电源原理图。输入电压为 700-1000 VDC 时，很难应用硅 MOSFET，无论如何，我们应该使用两个串联的 MOSFET 来满足所涉及的电压电平这个应用程序。MOSFET可以承受的最大电压很容易达到1350V或更高（1000V最大输入电压，加上反射电压加上杂散电感产生的浪涌电压）。

图 5：用硅 MOSFET 驱动 SiC MOSFET。具有三相输入的 QR 反激式转换器

我们可以只使用一个碳化硅 MOSFET（例如 1700V 类型）而不是使用两个硅 MOSFET，但是如何驱动它呢？答案是我们需要的是专门的IC。ROHM BD7682FJ 是市场上第一款针对碳化硅 MOSFET 进行优化的 IC。它具有 18V 的栅极钳位（避免在危险电压以上工作）、14V 的欠压锁定 (UVLO)、软启动（有助于减少栅极脉冲）和广泛的保护功能列表。

更快的换向

关于 IGBT 晶体管，众所周知，碳化硅 MOSFET 具有更好的动态，这意味着换向速度更快。SiC MOSFET 有几十纳秒的换向，而 IGBT 有几百纳秒的换向。为了实现这种快速换向，我们必须在更短的时间内提供总栅极电荷。这意味着我们在栅极驱动器中需要更高的峰值电流。高多少？如图 6 所示，至少需要相同电流的 IGBT，或者更多。

更快的换向也意味着更高的 dV/dt。dV 和 dt 都可以通过实验测量，如图 7 所示的示例，其中比较了 IGBT 和 Sic MOSFET 的开关时间。如图所示，需要具有至少等于或大于每纳秒 100V 的共模瞬态抗扰度 (CMTI) 的栅极驱动器。

图 6：与 IGBT 相比，SiC MOSFET 的开关速度更快。由于开关时间更快，SiC MOSFET 需要具有更高峰值电流的栅极驱动器

下限

IGBT MOSFET 的阈值约为 +5V 或更高，而对于碳化硅 MOSFET，该技术允许具有较低的阈值，约为 +1 或 +2V（参见图 8）。此外，由于阈值电压的负温度系数，该阈值随着温度升高而降低。因此，在栅极驱动器设计中，我们需要注意这方面，因为栅极上的噪声可能很危险。我们如何控制噪声并消除寄生效应？第一步与PCB设计有关。一个好的 PCB 设计应尽量减少以下参数：

从 OUT 到栅极再到电容器的走线阻抗；

从 GND 到源极再到电容器的走线阻抗；

高电流路径的面积。在图 8 中，打开路径显示为红色，而关闭路径显示为绿色。

图 7：较低的阈值涉及干净且低寄生的 PCB 布局

第二步与米勒钳位有关。让我们考虑典型的半桥 MOSFET 栅极驱动器。当打开半桥的上侧 MOSFET 时（M2：关 → 开），电压变化 VDS 会发生在下开关上。这会产生一个电流 (I_Miller)，为下部 MOSFET 的寄生电容 C 充电（图 9）。该电流流经米勒电容、栅极电阻和 C GS电容。更快的 V DS 从低切换到高。如果栅极电阻上的压降超过较低 MOSFET 的阈值电压，则会发生寄生导通，称为“米勒效应”（M1 导通）。

图 8：MOSFET 半桥中出现的米勒效应

可以通过两种方式避免米勒效应。一种是用于保持 MOSFET 关闭的负电源 (VEE)。第二个是有源米勒钳位，如图 10 所示。该解决方案包括添加第三个内部 MOSFET (M3)，连接到驱动器电路中的最低电位。当 MOSFET 关闭时，钳位开关会在栅极电压降至某个水平以下时激活，以确保 MOSFET 在任何接地反弹事件或 dV DS /dt 瞬变期间保持关闭。如图 10 所示，有源米勒钳位可以通过将栅极直接钳位到地或负电源来减少 VGS 的增加。

图 9：有源米勒钳位

第三步与栅极电压振荡有关。正如您在图 10 中看到的，振荡可以是正的也可以是负的，从而产生噪声。在这种情况下，一种行之有效的解决方法是在栅极和源极之间添加一个电容器以提高 C GD /C GS比率。

图 10：一个额外的电容器可以减少栅极电压振荡

由于电容器会影响开关时间，因此必须仔细评估该解决方案。基于所有提到的考虑，罗姆已经推出了专用的 SiC MOSFET 栅极驱动器。BM61S40RFV 栅极驱动器具有 14.5V 的欠压锁定 (ULVO)、22V 的过压保护 (OVP)、100V/ns 的 CMTI 和 4A 的输出电流（在产品路线图中已计划的未来器件中将增加）。因此，SiC MOSFET 栅极驱动器已经可用，由可用于初始测试的文档和评估板提供支持。

结论

一切的基础都是布局优化。这是要完成的第一步，以避免寄生元件给施加的电压或电流增加噪声或尖峰信号。第二步是必须在所有工作条件下检查电压电平和栅极信号噪声。第三步是使用专用器件来驱动 SiC MOSFET，就像前面提到的那样，市场上已经有售。

审核编辑：刘清