学技术 | 碳化硅 SIC MOSFET 如何降低功率损耗

 

SIC MOSFET 作为第三代半导体器件，以其卓越的高频高压高结温低阻特性，已经越来越多的应用于功率变换电路。  那么，如何用最有效的方式驱动碳化硅 MOSFET，发挥SIC MOSFET的优势，尽可能降低的传导和开关损耗，本文以给出了使用 ST  碳化硅 MOSFET 的主要设计原则，以得到最佳性能。

 

一，如何减少传导损耗：        

碳化硅 MOSFET 比超结 MOSFET 要求更高的G级电压，建议使用 +18 V以减少 RDS(on)，从而减少传导损耗。但是没有必要使用超过 20 V 的驱动电压，ST 第三代SIC MOSFET  VGS 可以低至 185V，在 20 A, 25 ℃的情况下 , 会增加 约20％左右的 RDS （on）。 使用负压可以更快速的关断，从而使开关损耗最小化。

 

 二，如何减少开关损耗：        

        影响开关损耗的主要因素有：

       1，关断能量 （Eoff）------取决于 Rg 和 VGS-OFF （负的栅极电压）

       2，开通能量 （Eon）------取决于 Rg

       3，米勒效应---------------影响 Eon 和 Err （反向恢复损耗）

       4，栅极驱动电流

 

关断能量 （Eoff）------取决于 Rg 和 负的栅极电压，和SI MOSSET相似，碳化硅 MOSFET 没有拖尾效应，所以关断损耗 （Eoff）取决于VDS电压上升时间和 ID电流下降时间内的重叠区间，为了减少Eoff ,需要尽快从栅极吸取更多的电荷，可以采用减小驱动电阻Rg 和 增加栅极负电压 ，负压建议-3V左右。

 

下图描述了Rg 和Eoff 的关系：

 

当然，Rg 的大小也会影响Vds 电压过充，栅极电阻在 1Ω 至 10Ω 范围内变化时， VDS 可相差50 伏，因此，需要优化PCB上的寄生电感，即使使用较小的驱动电阻时，可有足够的电压裕量。
 

 

使用负电压来关断 MOSFET 有助于进一步减少关断损耗，可以增加栅极电阻Rg上的压降，从栅极更快的抽取电荷。对于常规的栅极电阻值，截止电压从 0 V 下降到 -5 V，Eoff 能降低 35％到 40％。

               
 

开通能量 （Eon）------取决于 Rg：  开通能量也可以通过降低栅极驱动电阻来降低，当栅极电阻在1 至 10Ω 范围内变化时，开通损耗几乎降低了 40％。但是，较低的能耗必须要考虑EMI，因为 di / dt 会因低 Rg 值降低而显著增加，从而使EMC 变差。
 

              
 

米勒效应对 开通损耗 Eon 和反向恢复损耗 Err 的影响：     
 

当半桥下管开通时 , 电压变化 dVDS/dt 发生在上管MOSFET。这就形成了对上管MOSFET 的寄生电容 CGD 的充电电流，此电流通过米勒电容，栅极电阻和 CGS （电容 CGD和 CGS 形成一个电容分压电路）。如果在栅极电阻上的电压降超过了上侧 MOSFET 的开启阈值电压，则会产生被称为 “ 米勒导通 ” 或 “ 米勒效应 ” 的寄生导通，这会影响整个桥臂的开关损耗。相应的，当上管 MOSFET 开通时，电流流过低侧开关的米勒电容时 , 寄生导通也可能会发生。

 

反向恢复损耗 Err 是碳化硅 MOSFET 固有的体二极管导通后消耗的开关能量。在不存在米勒效应的情况下，由于优异的碳化硅反向恢复特性 , 它是可以忽略不计。然而，在米勒导通存在时，反向恢复能量显著影响着整个开关损耗。

 

使用ST 带有米勒钳位功能的驱动IC可以有效减小米勒效应。

 

对栅极驱动电流的要求：

 

开通或关闭 MOSFET 所需的栅极电流可以通过栅级电荷来计算，栅级电荷可以从datasheet直接读取。

 

在任何开关周期 , 驱动器必须提供足够的驱动电流，当驱动器的拉电流和灌电流能力不足时 , 将影响碳化硅 MOSFET 的开关性能。推荐使用ST GAP系列驱动IC。

 

综上所述，使用ST 专用的SIC MOSFET 驱动IC，配合合适的Rg 电阻值，可以得到优化的 开通/关断/导通 损耗。