优化SiC MOSFET的栅极驱动的方法

在高压开关电源应用中,相较传统的硅 MOSFET 和 IGBT,碳化硅（以下简称“SiC”）MOSFET 有明 显的优势。使用硅 MOSFET 可以实现高频（数百千赫 兹）开关,但它们不能用于非常高的电压（>1 000 V）。而 IGBT 虽然可以在高压下使用,但其 “拖尾电流 “和 缓慢的关断使其仅限于低频开关应用。SiC MOSFET 则两全其美,可实现在高压下的高频开关。然而,SiC MOSFET 的独特器件特性意味着它们对栅极驱动威廉希尔官方网站 有 特殊的要求。了解这些特性后,设计人员就可以选择能 够提高器件可靠性和整体开关性能的栅极驱动器。在这 篇文章中,我们讨论了 SiC MOSFET 器件的特点以及 它们对栅极驱动威廉希尔官方网站 的要求,然后介绍了一种能够解决 这些问题和其他系统级考虑因素的 IC 方案。

SiC MOSFET特性    

与硅器件相比,SiC MOSFET 的跨导（增益）更低, 内部栅极电阻更高,其栅极导通阈值可能低于 2 V。因 此,在关断状态下,必须向 SiC MOSFET 施加负栅源 电压（通常为 -5 V）。SiC 器件的栅源电压通常要求在 18 V ~ 20 V,以降低导通状态下的导通电阻（RDS）。SiC MOSFET 工作在低 VGS 下可能会导致热应力或由 于高 RDS 而可能导致故障。与低增益相关的其他影响 会直接影响几个重要的动态开关特性,在设计适当的栅 极驱动威廉希尔官方网站 时必须考虑这些影响,包括导通电阻、栅极 电荷（米勒平台）和过电流（DESAT）保护。 

导通电阻 

在低 VGS 时,一些 SiC 器件的导通电阻与结温特性 之间的关系曲线看起来是抛物线 *（由于内部器件特性的 组合）。(* 这适用于安森美 M1 和 M2 SiC MOSFET。) 当 VGS = 14 V 时,RDS 似乎具有负温度系数 (NTC) 特 性,即电阻随温度升高而降低。SiC MOSFET 的这一独 特特征直接归因于其低增益,这意味着如果两个或更多 的 SiC MOSFET 并联工作在低 VGS( 负温度系数 ) 下, 可能会导致灾难性损坏。因此,只有当 VGS 足以确保 可靠的正温度系数工作时（即 VGS > 18 V）,才建议将 SiC MOSFET 并联工作。

新一代 M3 SiC 在所有 VGS 和所有温度范围都显示 正温度系数

栅极电荷 

向 SiC MOSFET 施加栅源电压  (VGS) 时,电荷被 传输以尽快使 VGS 从 VGS (MIN) (VEE) 和 VGS (MAX)  (VDD) 升高。由于器件的内部电容是非线性的,因此 可以使用 VGS 与栅极电荷（QG）的关系曲线来确定 在给定的 VGS 下必须传输多少电荷。SiC MOSFET 的 这种 “米勒平台“发生在较高的 VGS 上,而且不像硅 MOSFET 那样平坦。不平坦的米勒平台意味着在相应 的电荷范围内,VGS 不是不变的,这也是由于器件低增益导致的。同样值得注意的是,QG = 0 nC（关断 SiC MOSFET 所需的电荷量）不会发生在 VGS = 0 V 时,因 此 VGS 必须为负（本例中为 -5 V）,以使栅极完全放电。 

由于我们想测量导通或关断 SiC MOSFET 所需的电 荷量,我们的曲线只绘制了 Qg 的增量（或 Qg 的累积 或 Qg 的变化）。这个数值也叫 Qg。这可能会引起混淆。我们需要将这张图解读为需要的能量,而不纯粹是存储 在栅源电容器中的能量。

使用负栅极驱动阻断电压主要是为了减少关断状态 下的漏电流。这也是由于跨导增益低造成的。使用负的 阻断电压还可以减少开关损耗,主要是在关断期间的开 关损耗。因此,几乎对于所有的 SiC MOSFET,都建议在关 断状态下使用的最小 VGS 为 -5 V < VGS (MIN) < -2 V, 有些制造商规定电压低至 -10 V。

欠压保护    

 (DESAT) DESAT 保护是一种过电流检测,起源于 IGBT 的驱 动威廉希尔官方网站 。在导通时,如果IGBT不能再保持饱和状态（“去 饱和”）,集电极 - 发射极电压就会上升,同时全集电 极电流流过。显然,这对效率有不利影响,在最坏的情 况下,可能导致 IGBT 的灾难性故障。所谓的“DESAT “功能监测 IGBT 的集电极 - 发射极电压,并检测何时 出现潜在的破坏性条件。虽然 SiC MOSFET 中的故障 机制有些不同,但会有类似的情况,在最大 ID 流过时 VDS 可能上升。如果导通期间的最大 VGS 太低,栅极 驱动导通沿太慢,或者存在短路或过载情况,就会出现 这种不理想的条件。在满载 ID 的情况下,RDS 会增加, 导致VDS意外上升。当SiC MOSFET发生欠饱和事件时, VDS 的反应非常迅速,而最大漏极电流继续流过不断 增加的导通电阻。当 VDS 达到预定的阈值时,就可以 激活保护。应特别注意避免感测 VDS 的延迟,因为延 迟会掩盖这种现象。因此,DESAT 是栅极驱动威廉希尔官方网站 的 一个重要的辅助性保护。

动态开关     

SiC MOSFET 的导通和关断状态有 4 个不同的阶段。所示的动态开关波形呈现的是理想工作条件的情况。然 而,在实践中,封装寄生物,如引线和邦定线电感、 寄生电容和 PCB 布局会极大地影响实际波形。合适的 器件选择、最佳的 PCB 布局,以及对设计好的栅极驱 动威廉希尔官方网站 的重视,对于优化开关电源应用中使用的 SiC MOSFET 的性能都是至关重要的。 

栅极驱动威廉希尔官方网站 的设计要求

为了补偿器件低增益,同时实现高效、高速的开关, 对 SiC 栅极驱动威廉希尔官方网站 有以下关键要求。

●  对于大多数 SiC MOSFET,驱动电压在 -5 V >  VGS > 20 V 之间时性能最佳。栅极驱动威廉希尔官方网站 应能承受 VDD = 25 V 和 VEE = -10 V,以适用于最广泛的可用 器件。

● VGS 必须有快速的上升沿和下降沿 ( 在几 ns 范 围内 )。

● 在整个米勒平台区域内,有能力提供高的峰值栅 极灌电流和拉电流（数 A）。 

● 当 VGS 下降到米勒平台以下时,需要提供一个 非常低的阻抗保持或“钳位”,以实现高的灌电流能力。灌电流的额定值应超过仅对 SiC MOSFET 的输入电容 放电所需的电流。10 A 左右的峰值灌电流最小额定值 应适用于高性能、半桥电源拓扑结构。

● VDD 欠压锁定（UVLO）水平,与开关开始前 VGS > ~16 V 的要求相匹配。 

● VEE UVLO 监测能力确保负电压轨在可接受的范 围内。 

● 能够检测、报告故障和提供保护的去饱和功能, 使 SiC MOSFET 长期可靠运行。 

● 支持高速开关的低寄生电感。 

● 小尺寸驱动器封装,布局尽可能靠近 SiC MOSFET。

栅极驱动器方案    

安森美的 NCP51705 是一款 SiC 栅极驱动器 IC,提 供高的设计灵活度和集成度,几乎与任何 SiC MOSFET 兼容。NCP51705 集成许多通用栅极驱动器 IC 所共有的 功能,包括： 

● VDD 正电源电压最高 28 V； 

● 高峰值输出电流——6 A 拉电流和 10 A 灌电流； 

● 内置 5 V 基准可用于偏置 5 V、20 mA 以下的低 功耗负载（数字隔离器、光耦合器、微控制器等）；

● 单独的信号和电源接地连接； 

● 单独的源和灌输出引脚； 

● 内置热关断保护； 

● 单独的非反相和反相 TTL、PWM 输入。

然而,该 IC 集成几个独特的功能,能够以最少的 外部元器件设计出可靠的 SiC MOSFET 栅极驱动威廉希尔官方网站 。这些功能包括： 

● 欠压保护（DESAT）； 

● 电荷泵（用于设置负电压轨）； 

● 可编程的欠压锁定（UVLO）； 

● 数字同步和故障报告； 

● 24 引脚,4 mm×4 mm,热增强型 MLP 封装, 便于板级集成。

总结     

在选择合适的栅极驱动器 IC 时,SiC MOSFET 的 低增益给设计人员带来了难题。通用的低边栅极驱动器 不能高效和可靠地驱动 SiC MOSFET。NCP51705 集成 一系列功能,为设计人员提供了一个简单、高性能、高 速的解决方案,高效、可靠地驱动 SiC MOSFET。

审核编辑：刘清