如何为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动器

与硅基开关相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 具有一系列优势，在功率半导体行业取得了重大进展。这些包括更快的开关、更高的效率、更高的电压操作和更高的温度，从而产生更小、更轻的设计。
 

 

这些特性带来了一系列汽车和工业应用。但 SiC 等宽带隙器件也会带来设计挑战，包括电磁干扰 (EMI)、过热和过压情况，这些问题可以通过选择正确的栅极驱动器来解决。

 

由于栅极驱动器用于驱动功率器件。确保使用 SiC 进行优化设计的一种方法是其中就有仔细考虑栅极驱动器的选择。同时，它需要仔细研究设计的关键要求——效率、密度，当然还有成本——因为根据应用要求，总是需要权衡。

 

尽管 SiC 具有固有的优势，但成本仍然是采用的障碍。电源 IC 制造商表示，在零件的基础上比较 SiC 与硅时，除非设计人员考虑总解决方案成本，否则它们将更加昂贵且难以证明其合理性。

 

让我们首先讨论 SiC 与硅 MOSFET 或 IGBT 的应用、优势和权衡。SiC FET 具有更低的导通电阻（得益于更高的击穿电压）、高饱和速度（可实现更快的开关）以及三倍的带隙能量增加。其结果是结温更高，从而改善冷却效果。同时，热导率提高了三倍，转化为更高的功率密度。

 

业界一致认为低压 Si MOSFET 和氮化镓在 <700V 范围内工作。在此之上就是 SiC 发挥作用的地方，在较低功率范围内有一些重叠。

 

SiC 主要取代 600 V 以上和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型应用，在 11 kW 左右时更是如此。Microchip Technology 产品线总监 Rob Weber 表示，这是 SiC 的最佳选择，可提供高电压运行、低开关损耗和更高的开关频率。

 

Weber说，这些属性允许使用更小的滤波器和无源器件，同时减少冷却需求。“我们谈论的是相对于 IGBT 的系统级优势，最终是尺寸、成本和重量的减小。

 

“例如，在 30kHz 开关频率下，您可以将损耗降低高达 70%”他补充道。

 

 

一个关键的工程基准是效率，这会导致改进水平。Weber 表示，另一个 SiC 成本效益指标正在出现：相对于 IGBT 的系统级优势。

 

“使用碳化硅，您可以在更高的开关频率下运行，这使您能够在直接功率级周围使用更小的外部组件，例如滤波器，它们是又大又重的磁性设备。”他解释说，它们还“由于开关损耗较低而在更高的温度下运行或在更低的温度下运行，用风冷系统取代液冷系统，并缩小了散热器的尺寸”。

 

Weber 断言，组件尺寸和重量的减小也意味着成本的降低，这意味着 SiC 提供的不仅仅是更高的效率。

 

然而，在零件价格比较中，SiC 仍然比传统硅基 IGBT 更昂贵。Weber 表示：“每个制造商的 SiC 模块成本都会更高，但从整个系统来看，SiC 系统成本较低。”

 

在另一个示例中，Microchip 客户在使用 SiC MOSFET 时能够将系统成本降低 6%。一旦设计人员转向 SiC，他们还需要考虑权衡。功率半导体制造商一致认为，必须克服噪声、EMI 和过压等“二次效应”。

 

“当你更快地切换这些设备时，你可能会产生更多的噪声，这将转化为 EMI，”Weber 说。“此外，虽然 SiC MOSFET在较高电压下表现出色，但在短路条件下以及电压发生变化时，其稳健性也远不如 IGBT。会出现过压情况，这导致一些设计人员使用参考电压比额定电压更高的 SiC 器件，以便更好地控制过压和过热。”

这就是栅极驱动器的选择发挥关键作用的地方。SiC 对电源电压、快速短路保护和高 dv/dt 抗扰度等特性带来了独特的要求。

 

选择栅极驱动器

 

在将碳化硅开关与硅基器件进行比较时，为碳化硅开关选择合适的栅极驱动器需要新的思维方式。需要关注的关键领域包括拓扑、电压、偏置以及监控和保护功能。

 

Weber 表示，以前，使用顺序方法来选择栅极驱动器是可以接受的。“在采用 SiC 之前，您首先会选择 IGBT，然后是栅极驱动器，然后是母线和电容器”他说。“完全变了。您必须着眼于正在构建的整体解决方案以及每一步的权衡，而不是采用 IGBT 的顺序方法。这对很多客户来说都是一次教育。”

 

此外，还有各种在功能、集成度和价格方面有所不同的 SiC 栅极驱动器，针对简单到更复杂的设计。

 

德州仪器 (TI) 高压电源系统工程负责人 Lazlo Balogh 表示，拓扑、功率水平、保护和功能安全要求以及正在使用的 SiC 器件决定了应用所需的驱动器类型

 

例如，非隔离驱动器可能需要很多额外的电路，Balogh 说。

 

还有一些隔离驱动器可以处理负偏置和隔离问题，但仍然需要某种类型的系统监控。他补充说，这对于提供进一步集成的设备来说是正确的，例如汽车应用的监控和保护电路以及功能安全。

 

“正确部署 SiC 的清单是查看拓扑以及必须驱动哪种类型的设备，然后选择栅极驱动器，优化偏置，找出需要哪种保护，然后优化布局，”巴洛说。

阻碍 SiC 应用的障碍之一是需要更高开关速度的特殊封装以消除源电感。

 

Balogh 说，这通常是通过开尔文源连接完成的。“源电感可能很糟糕，会导致大量额外的功率损耗，因为它会减慢开关动作。”

 

 

“这就是布局工程师成为你最好的朋友的地方，因为你确实必须查看布局优化它以实现高速开关，”Balogh 说。他补充说，这包括最大限度地减少走线电感、分离栅极和电源环路，以及通过选择正确的组件来适当旁路开关电流路径和宽频带。

 

Balogh 说，真正关键的是将驱动器连接到开关。他说，设计人员必须将驱动器的地直接连接到电源开关的源极，因为杂散电感会增加开关损耗。

 

供应商同意可以使用标准驱动程序来控制 SiC 设备。尽管如此，设计人员必须确定权衡的，这通常需要额外的电路或更大的外部设备。例如，使用标准驱动器时减少振铃和过压的一种方法是增加栅极电阻器的尺寸。

 

TI 的 Balogh 表示，其他考虑因素包括保护功能、欠压锁定、更高频率的操作、更快的开关和芯片热点，所有这些都可以决定功率损耗、EMI 和尺寸。
 

此外，额外的电路通常比专用 SiC 占用更多的空间。因此，高端设计通常选择专用的 SiC 核心驱动器，这会考虑到更快的开关、过压条件以及噪声和 EMI 等问题。他说：“你总是可以使用标准栅极驱动器，但你必须用额外的电路来补充它，通常这就是权衡。”