SiC设计干货分享（一）：SiC MOSFET驱动电压的分析及探讨

作者：富昌电子 David An

校稿：富昌电子 Iven Xiao

随着制备技术的进步，在需求的不断拉动下，碳化硅（SiC）器件与模块的成本逐年降低。相关产品的研发与应用也得到了极大的加速。尤其在新能源汽车，可再生能源及储能等应用领域的发展，更是不容小觑。

富昌电子（Future Electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，并缩短产品设计周期。在第三代半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术积累和项目经验，落笔于SiC相关设计的系列文章。希望以此给到大家一定的设计参考，并期待与您进一步的交流。

作为系列文章的第一部分，本文将先就SiC MOSFET的驱动电压做一定的分析及探讨。

常见的Vgs与Vgs(th)，以及对SiC MOSFET应用的影响

驱动电压Vgs和栅极电压阈值Vgs(th)关系到SiC MOSFET在应用过程中的可靠性，功率损耗(导通电阻)，以及驱动电路的兼容性等。这是SiC MOSFET非常关键的参数，在设计过程中需要重点考虑。在不同的设计中，设置不同的驱动电压会有更高的性价比。下图1 列出几个常见厂家部分SiC MOSFET的Vgs与Vgs(th)值作对比。

SiC MOSFET驱动电压设置探讨

1.驱动电压高电平Vgs_on是选择+12V、+15V、+18V还是+20V?

如图1所示，SiC MOSFET 驱动电压正向最大值在22V~25V左右，推荐的工作电压主要有+20V,+18V两种规格，具体应用需要参考不同SiC MOSFET型号的DATASHEET。由下图2所示，Vgs超过15V时，无论是导通内阻还是导通电流逐渐趋于平缓 (各家SiC MOSFET的DATASHEET给出的参考标准不同，有的是Rds(on)与Vgs的曲线，有的是Id与Vgs的曲线)。当然驱动电压Vgs越高，对应的Rds(on)会越小，损耗也就越小。

富昌设计小建议：Vgs设定Vgs时不能超过DATASHEET给定的最大值，否则可能会造成SiC MOSFET永久损坏。

（1）对于推荐使用+18V或+20V 高电平驱动电压的SiC MOSFET

由图1所示，因为新一代SiC MOS工艺的提升，部分SiC MOSFET推荐高电平驱动电压为+18V。由下图2所示，工艺的提升，使得Vgs从+18V到+20V的Rds(on)变化不大，导通损耗差别不明显。

富昌设计小建议：最新一代SiC MOSFET建议使用+18V驱动电压。对降低驱动损耗以及减少Vgs过冲损坏更加有益。

（2）对于+15V 高电平可否驱动SiC MOSFET

在正常情况下，DATASHEET上没有推荐，不建议使用。但是考虑到与15V驱动的Si IGBT 兼容，需要经过计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件以及考虑到设备整体损耗时，也可以使用。如下图2所示为Vgs与Rds(on)的关系，可知门极电压越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)会比标称值大。

富昌设计小建议：Vgs设置为+15V时，SiC MOSFET损耗会比标称值大。

（3）对于+12V 高电平可否驱动SiC MOSFET

工作原理与+15V驱动电压同理，但是应用会更少，一般不推荐使用。但是一些特殊应用场景，例如在小功率高压辅助电源应用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，客户在综合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情况下，是可以使用的。

富昌设计小建议：Vgs设置为+12V时，SIC MOSFET损耗会远远超过标称值，计算损耗时应参考Vgs=+12V时的Rdson。

2.驱动电压低电平Vgs_off是选择0V、-3V还是-5V?

驱动电压低电平的选择要比高电平复杂的多，需要考虑到误开通。误开通是由高 速变化的dv/dt，通过米勒电容Cgd耦合到门极产生门极电压变化，导致关断时ΔVgs超过阈值电压而造成的。因此误开通不仅和阈值电压Vgs(th)有关，还与dv/dt产生的电压变化有关。

（1）对于-3V或-5V关断电压如何选择

首先参考SiC MOSFET的DATASHEET上推荐的关断电压。再考虑门极电压阈值裕度为

ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大时，dv/dt产生的门极电压变化为：

ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss。可知，当门极电压阈值裕度ΔVgs_th越大于dv/dt造成的门极电压变化ΔVgs时，器件Vgs_off安全裕度越大，误开通风险越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，导致导通损耗增加。

富昌设计小建议：综合考量计算ΔVgs_th 后，在实验过程中实测ΔVgs，可以进一步提升实际应用的稳定性和性能。

（2）对于0V关断电压探讨

虽然驱动电压Vgs为0V时已经可以关断SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能会导致SiC MOSFET误导通，导致设备损坏，故而不推荐使用。当然如果是设计的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足够大，并且充分考虑到ΔVgs对SiC MOSFET误导通的影响下，客户可以根据自己的设计而定。

富昌设计小建议：重点考虑dv/dt造成的ΔVgs以及环路等效电感，对误导通的影响，在设置Vgs_off=0V时，才能让系统更加稳定。

Vgs(th)漂移带来的影响，以及影响Vgs(th)的因素

由于宽禁带半导体SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半导体氧化层界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。为了理解这些差异，解释这些差异与材料本身特性的关系，评估其对应用、系统的影响，需要更多的研究及探索。

（1）Vth漂移对应用的影响

长期来看，对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加Rds(on)。通常来说，增加 Rds(on)会增加导通损耗，进而增加结温。在计算功率循环时，需要把这个增加的结温也考虑进去。

富昌设计小建议：如果开关损耗占比总损耗较高时，可以忽略Vgs(th) 漂移导致的开通损耗。

（2）Vth漂移对器件的基本功能不会被影响，主要有：

耐压能力不会受影响；

器件的可靠性等级，如抗宇宙射线能力，抵抗湿气的能力等不会受影响；

Vth漂移会对总的损耗有轻微影响；

（3）影响Vth漂移的参数主要包括：

开关次数，包括开关频率与操作时间；

驱动电压，主要是Vgs_off；

（4）以下参数对开关操作引起的Vth漂移没有影响：

结温；

漏源电压，漏极电流；

dv/dt, di/dt；

总结

本文主要针对驱动电压Vgs和栅极电压阈值Vgs(th)本身对SiC MOSFET在使用过程中的影响做出讨论。

在实际应用过程中，设置的Vgs电压是对设备的可靠性，功率损耗以及驱动电路的兼容性等因素的综合考虑。理论计算只是设计参考的一部分，也可以考虑实际测量获得真实的数据来修正设计参数。实际测量得到的ΔVgs，对设置Vgs_off会更有参考价值，并且会使得SiC MOSFET应用设计更加稳定且充分利用其性能。同时驱动电压Vgs的设置还会受到驱动电阻Ron与Roff、驱动电流以及驱动回路等影响，此处不做展开探讨，富昌电子将在后续连载文章中逐步剖析，敬请期待。

参考文献：

【1】Infineon-Guidelines_for_CoolSiC_MOSFET_gate_drive_voltage_window-ApplicationNotes.

【2】Infineon Cookbook for SIC driving.

【3】ON Semiconductor Impacts of kelvin source and the Crosstalk in SIC.

【4】ON Semiconductor SIC MOSFETs: Gate Drive Optimization.

【5】AN4671如何调整碳化硅 MOSFET 驱动减少功率损耗

审核编辑 黄宇