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  柵極驅(qū)動器和SiC MOSFET 柵極驅(qū)動

  碳化硅(SiC)MOSFET 的使用促使了多個(gè)應(yīng)用的高效率電力輸送，比如電動車快速充電、電源、可再生能源以及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。雖然它們的表現(xiàn)比傳統(tǒng)的硅(Si)MOSFET 和 IGBT 更為出色，但驅(qū)動方式卻不盡相同，必須要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行縝密的思考。以下是一些 SiC 柵極驅(qū)動器的一些示例要求：

  ●驅(qū)動供電電壓包含開通的正壓和關(guān)斷的負(fù)壓

  ●共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)大于 100 kV/μs

  ●最大工作絕緣電壓可達(dá) 1700 V

  ●驅(qū)動能力可達(dá) 10 A

  ●傳輸延遲時(shí)間和頻道不匹配時(shí)間小于 10 ns

  ●主動米勒鉗位

  ●快速短路保護(hù)(SCP)(小于 1.8 μs)

  對于 SiC MOSFET 的一般驅(qū)動考慮

  鑒于這些要求，需要考慮幾個(gè)柵極驅(qū)動器技術(shù)。磁耦合驅(qū)動器是一個(gè)相對成熟的技術(shù)，但是在磁場應(yīng)用中也會成為一個(gè)令人關(guān)切的問題。電容耦合驅(qū)動器具備來自高電壓應(yīng)力和改進(jìn)后對外部磁場抗擾度的出色保護(hù)，同時(shí)以最低的延遲提供非常迅捷的開關(guān)。但是，這項(xiàng)技術(shù)仍然容易受高電場應(yīng)用問題的影響。作為更為傳統(tǒng)的絕緣方式、光耦合非常有效并可提供出色的瞬變和噪音保護(hù)，但是由于曝光增加和 LED 特性，隨著時(shí)間推進(jìn)會逐漸減弱。

  隨著系統(tǒng)功率和頻率增加，柵極驅(qū)動功率要求也會提高。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保驅(qū)動器具備足夠的驅(qū)動能力保證 MOSFET 完全導(dǎo)通。保持柵極驅(qū)動器內(nèi)部 FET RDS(on) 處于低位以及更高的電流輸送和更快的開關(guān)速度，但是總驅(qū)動平均功率要求取決于開關(guān)頻率、總柵極電荷(以及任何其置于柵極上的電容)、柵極電壓擺動以及并聯(lián) SiC MOSFET 的數(shù)量或 P =(Freq x Qg x Vgs(total) x N)。其中 P 是平均功率，F(xiàn)req 是開關(guān)頻率，Qg 是總柵極電荷，Vgs(total) 是總柵極電壓擺動，N 是并聯(lián)數(shù)量。

  開關(guān)時(shí)往往存在振蕩和過沖，正如圖 1 當(dāng)中所示的那樣，所以需要特別關(guān)注器件的最大 VGS 額定值。對于開通/關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動電源電壓選擇，推薦(15 V, - 3 V)以確保安全運(yùn)行和長期可靠性。驅(qū)動電壓可以接受 ± 5% 的公差。對于帶有相對緊湊反饋控制的或帶有線性穩(wěn)壓的輔助電源，± 5% 甚至 ± 2% 的公差是可以實(shí)現(xiàn)的。

▲ 圖 1：開關(guān)時(shí)顯示典型柵極驅(qū)動器電壓特點(diǎn)圖

  SiC MOSFET 比 Si MOSFET 開關(guān)速度更快，所以 SiC 柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)要求能夠承受更高 dV/dt 是非常關(guān)鍵的，因?yàn)檫@會對 MOSFET 造成振蕩和損壞。在硬開關(guān)應(yīng)用中，SiC MOSFET 能夠產(chǎn)生超過 150 V / ns 的 dV/dt，所以推薦使用帶有高 CMTI 額定值的驅(qū)動器。

  一些 PCB 布局建議及技巧

  對稱的 PCB 布局對于并聯(lián)應(yīng)用時(shí)降低驅(qū)動環(huán)路內(nèi)的環(huán)流而言非常關(guān)鍵。另外，保證驅(qū)動回路和功率回路分開可防止串?dāng)_，而增加抑制效應(yīng)(如柵極電阻器和鐵氧體磁珠)可以減小柵極振蕩。置于 MOSFET 柵極和源極之間的小型電容(100 pF 到 1 nF)可為高頻噪聲電流提供低阻抗路徑(見圖 2)。

▲ 圖 2：SiC MOSFET 抑制噪音和柵極震蕩演示

  以下是需要考慮的一些附加布局相關(guān)的事項(xiàng)：

  ●保證柵極驅(qū)動回路和功率環(huán)路分開，盡量不要有任何交疊。

  ●由于 SiC 系統(tǒng)中的高 di/dt 和 dV/dt，寄生電感和電容能夠?qū)π阅芎烷_關(guān)行為產(chǎn)生巨大影響。對降低寄生效應(yīng)的一些建議：

  ●當(dāng)選用插件封裝 MOSFET 時(shí)盡量使用最短的引腳長度;

  ●減小驅(qū)動芯片到 MOSFET 的距離;

  ●在母線和功率地之間放置低阻抗的薄膜電容或者瓷片電容;

  ●對于直流總線，使用較大的鋪銅面積;

  ●避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)和母線以及其他敏感信號的交疊;

  ●讓高頻率磁性材料遠(yuǎn)離敏感信號;

  ●讓功率環(huán)路和柵極驅(qū)動器信號分開。

  ●開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電容會增加損耗。

  ●總線環(huán)路中的電感增加關(guān)閉時(shí)的電壓過沖。

  ●柵極回路中的電感和電容降低開關(guān)速度和驅(qū)動電壓的控制。

  ●并聯(lián)應(yīng)用電感或電容的不同會導(dǎo)致不平衡。

  并聯(lián) MOSFET 可提升設(shè)計(jì)的功率

  并聯(lián) MOSFET 促使大功率設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)(比如交錯(cuò)并聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器)。當(dāng)用一個(gè)驅(qū)動器驅(qū)動并聯(lián) MOSFET 時(shí)，它們的柵極不應(yīng)直接連在一起，而是將外置的驅(qū)動電阻單獨(dú)應(yīng)用到每個(gè) SiC MOSFET 的柵極。雜散電感(范圍介于 1 到 15 nH 之間)也可產(chǎn)生不平衡的震蕩電壓，但是增加?xùn)艠O電阻和增加鐵氧體磁珠可以增加抑制效應(yīng)，以幫助降低震蕩和開關(guān)損耗。并且在每個(gè) SiC MOSFET 的驅(qū)動回路的 Kelvin source 添加一個(gè) 1 ? 電阻器可以大幅降低任何可能流動的高峰值電流，以及作為到 VGS 的自動反饋(見圖 3)。

▲ 圖 3：通過增加的柵極和源極電阻器來驅(qū)動并聯(lián) SiC MOSFET

  當(dāng)使用模塊時(shí)，一些相同規(guī)則仍舊適用。當(dāng)對模塊進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可在分享的柵極驅(qū)動器和單獨(dú)的柵極驅(qū)動器之間進(jìn)行選擇。分享柵極驅(qū)動器有助于消除不同驅(qū)動器之間的不匹配問題，但是很難對柵極驅(qū)動器進(jìn)行對稱布局，特別是對超過兩個(gè)并聯(lián)模塊而言。

  圖 4 顯示的是布局并聯(lián) MOSFET 驅(qū)動器板的一些布局示例。

▲ 圖 4：并聯(lián) MOSFET 設(shè)計(jì)的 PCB 布局示例

  負(fù)驅(qū)動電壓保證更安全的運(yùn)行并改善抗干擾度

  通常情況下，MOSFET 在 0 V 時(shí)完全關(guān)閉。增加負(fù)柵極偏壓會改善抗干擾度并避免在橋式電路應(yīng)用中出現(xiàn)誤開通，但是對于單端型功率轉(zhuǎn)換器，比如反激式、升壓或降壓轉(zhuǎn)換器，可以接受使用 0 V 關(guān)斷電壓。當(dāng)使用圖騰柱拓?fù)鋾r(shí)，高 dV/dt 和 di/dt 通常會導(dǎo)致串?dāng)_并能在柵極生成振蕩的電壓尖峰，因此負(fù)電壓關(guān)斷(比如 - 4 V)能防止誤開通，同時(shí)保證最大允許負(fù)壓 - 8 V 有足夠的余量。如果 PCB 布局已得到優(yōu)化，只要沒有誤開通，負(fù)柵極偏壓可以接近 - 3 V 或 - 2 V(依次降低該偏壓可以降低體二極管的正向電壓)。

  正、負(fù)柵極驅(qū)動電壓解決方案可通過多種方式完成。例如，專用 15 V / - 3 V 集成電源組件可以幫助降低部件數(shù)量，而在一個(gè)穩(wěn)定的 18 V 輸出后加上電阻器和齊納二極管生成 - 3 V 可以提供更多的靈活性。另一個(gè)方案是使用帶有內(nèi)置 DC/DC 控制器的柵極驅(qū)動器 IC，比如 Si8281。最后，通過使用推挽電路，比如來自德州儀器的 TIDA-01605，你可以定制你自己的完整解決方案(見圖 5)。

▲ 圖 5：利用 TIDA-01605 的推挽電路來生成

  用于 MOSFET 驅(qū)動器的 15 V / - 4 V

  當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，在圖騰柱半橋設(shè)計(jì)中增加主動米勒鉗位可以大幅降低串?dāng)_(對于在 400 VDC 下使用 C3M0060065J 的對比，見 圖 6)。為實(shí)現(xiàn)更好的鉗位效果，驅(qū)動器須盡量接近 MOSFET，這樣雜散電感就會達(dá)到最小化。

▲ 圖 6：無米勒鉗位(左)和有米勒鉗位(右)的MOSFET 驅(qū)動器對比

  其他推薦測試和微調(diào)

  保護(hù)你的設(shè)計(jì)免受過載電流(或短路)的影響是一個(gè)必須要考慮的問題，相較于電流分流器，大部分設(shè)計(jì)人員還是傾向于采用“退飽和”方式。雖然電流分流器能提供更精確的斷路電平，但它消耗了很多電力，同時(shí)需要大量的 PCB 空間。因此電流分流器更多用于需要準(zhǔn)確的電流保護(hù)點(diǎn)的低功率應(yīng)用。對于 SiC 來說，去飽和機(jī)制表現(xiàn)出色，因?yàn)樗鼪]有引入額外的損耗并能夠用于大功率載荷/模塊。圖 7 顯示了用于 SiC MOSFET 的基于分流器和基于漏極電壓短路保護(hù)設(shè)計(jì)之間的差異。

▲ 圖 7：用于 SiC MOSFET 的基于分流短路保護(hù)和漏極電壓短路保護(hù)之間的對比

  短路保護(hù)的設(shè)計(jì)非常重要，但是微調(diào)切斷參數(shù)卻非常棘手。設(shè)計(jì)人員須充分保護(hù) SiC MOSFET，同時(shí)不允許任何誤動作。“去飽和”電壓水平須基于 MOSFET 的 RDS(on)，連同最壞情況下的條件，包括高溫、峰值電流和 RDS(on) 最大值進(jìn)行選擇。應(yīng)基于開關(guān)過渡時(shí)間和抗干擾度來選擇去飽和檢測時(shí)間，同時(shí)須考慮最壞情況下的條件，比如低電流以及大電流波動。為確保 SiC 裸片無有害效應(yīng)，Wolfspeed 推薦以下保守建議： 打開后檢測時(shí)間為 250 - 500 ns，在檢測后軟停機(jī)持續(xù)時(shí)間為 400 - 1,500 ns，短路持續(xù)時(shí)間不超過 1 - 1.5 μs。

  在大部分 SiC 模塊中，當(dāng)器件仍處于波動(小于1 ms)且未飽和時(shí)，須檢測短路故障。不同于 IGBT，SiC 器件的故障可能必須在短路電流到達(dá)峰值之前才能檢測到?？蛇M(jìn)行破壞測試來檢驗(yàn)這個(gè)特性，比如圖 8 中所示的測試示例。這項(xiàng)測試包含 ADuM4177 柵極驅(qū)動器和 CAB450M12XM3 SiC 模塊(額定值為1,200 V / 450 A)。故障應(yīng)在 550 ns 內(nèi)得到檢測并在之后 360 ns 內(nèi)停機(jī)。

▲ 圖 8：驅(qū)動器和 SiC MOSFET 破壞短路測試

  綜上所述，SiC 技術(shù)使高效率和高功率密度系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，但須通過多個(gè)策略進(jìn)行驅(qū)動。柵極驅(qū)動器須具備足夠的驅(qū)動能力來降低損耗，且在足夠高的開關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)，它必須具備高 CMTI、最低的寄生電感以及優(yōu)化的去飽和檢測和軟停機(jī)特性。當(dāng)布局 PCB 時(shí)，減小驅(qū)動回路寄生電感以防止串?dāng)_，同時(shí)使用被動組件，如電容和鐵氧體磁珠也可有效抑制干擾。同時(shí)對于并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，單獨(dú)的柵極電阻及對稱的 PCB 布局能保證均流。