从栅极驱动电路的器件选型到设计，提升碳化硅MOSFET性能

电子发烧友网报道（文/李诚）近年来，随着光伏、轨道交通、汽车电子产业的快速发展，以及对性能与效率的追求，具有宽禁带、高击穿场强、高热导率、高电子饱迁移率的碳化硅材料，得到了越来越多厂商的关注和广泛的应用。
 
碳化硅最大的优势在于效率的提升，以汽车电力牵引逆变器为例，使用碳化硅MOSFET转换效率会比硅基IGBT有5%~8%的续航提升，这也就意味着在相同的电池容量下，用碳化硅MOSFET的车辆可以减少5%~8%的电池配备。从成本角度来衡量，使用碳化硅器件还是具有一定经济效益的。
 
因此，如何提升碳化硅器件的性能，也成为了备受关注的问题。在电路设计层面，栅极驱动电路作为功率器件与电源系统的通信桥梁，是驱动碳化硅功率器件的关键技术之一。因此，在器件选型和栅极驱动电路设计方面尤为重要。下文将向大家介绍该，如何从器件选型到环路设计，提升碳化硅器件的性能。
 
栅极驱动器件选型
 
在栅极驱动电路驱动芯片选型方面，主要围绕器件的共模抑制比、驱动能力、驱动延时、驱动电平等几个维度进行考量。
 
首先，共模抑制比主要是针对功率管的开关频率，因为碳化硅MOSFET会比传统的硅基IGBT有着更高的开关速度。
 
通常情况下，硅基IGBT的开关频率只有20KHz左右，在一些风电项目中使用的硅基IGBT可能会更低。而碳化硅MOSFET在硬开关电路中就可以做到100~200KHz，如果应用在软开关电路中，这一数值还会进一步地提升。因此，在栅极驱动环路设计中，建议使用共模瞬变抗扰度高于100V/ns的驱动芯片。
 
在进行芯片驱动能力选型时，主要考虑驱动电流的大小，以此确保功率管在工作过程中导通和关断的可靠性。同时，基于碳化硅器件开关速度较高的电气特性，在进行器件选型时，驱动延时也是比较重要的一项指标，一般情况下推荐使用延时更低（200ns以下）的驱动芯片。
 
另外，碳化硅MOSFET驱动电平的选择也是一个不容忽视的问题，主要是由于目前碳化硅MOSFET驱动电平没有一个统一的标准对厂商进行制约，导致了不同厂商的每一代产品之间，因为生产工艺，以及参数设计的不同，或多或少都存在着一定的差异，因此，在进行碳化硅MOSFET选型时要注意驱动电平参数。
 
栅极驱动电路设计
 
在驱动电路设计方面，想要提升碳化硅MOSFET的性能，首先需要考虑如何减小驱动回路中的杂散电感。因为主动管在开关的过程中，会因为杂散电感对被动管，造成一定的影响。因此，在PCB布线的过程中，除了需要使用ESR和ESL的除膜电容进行就近解耦之外，还需要缩小设计环路的面积，以此减小驱动回路中的杂散电感。
 
其次，在驱动环路设计过程中，还需要为电路并联一个辅助电容，在具备充足阻尼比的前提下，可以获得一个合适的持续时间和较短的振荡过渡过程，以保证功率管开关的可靠性。
 
最后，在驱动环路中，还需要设计一个合适的驱动电阻，以此抑制栅源电压的干扰尖峰和干扰振荡，防止因为驱动回路截止频率过低，导致栅源电压变化过缓增大开关损耗，从而达到提升功率管性能的目的。
 
结语
 
在碳化硅MOSFET的栅极驱动电路设计中，不仅仅需要像传统电路设计一样，消除环路中的杂散电感，还需要考虑驱动电阻与并联电容该如何设计，才能在功率管在导通和关断时，损耗达到最小。