SiC MOSFET为什么需要专用的栅极驱动器

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）从特斯拉Model3和比亚迪汉大规模应用SiC开始，不到十年的时间里，随着电动汽车市场迅速扩张，汽车技术迭代周期正在以史无前例的速度缩短，在2025年的当下，碳化硅已经完成了高端到“白菜”的转变，迅速实现了普及的进程。
 
根据国信证券数据，我国2025年1月新能源上险乘用车主驱模块中SiC MOSFET占比为18.9%，800V车型渗透率约15%，800V车型中碳化硅渗透率为71%。
 
SiC应用越来越广泛，对应的栅极驱动器也受到了更多的关注。
 
传统的Si MOSFET同样需要栅极驱动器，因为MCU输出的信号电压一般为3.3V/5V，无法直接驱动MOSFET，所以栅极驱动器起到功率放大的作用，将MCU输出的信号转换为适合MOSFET的驱动电压，确保器件完全导通或关断。
 
其次MOSFET的源极和漏极电容都需要快速放电以实现开关切换，驱动器提供瞬时的大电流来克服寄生电容，从而降低开关延迟和损耗。
 
不过，对于SiC MOSFET来说，就需要专用的栅极驱动器了。因为SiC MOSFET通常需要更高的正栅极电压，比如+18V至+20V才能完全导通，而Si MOSFET一般是+10V至+15V。
 
在SiC MOSFET中，提高正栅极电压可以有效降低导通电阻，这与SiC的材料特性有关。
 
MOSFET的导通依赖于栅极电压在半导体表面形成的沟道，当栅极电压超过阈值电压，栅极电场吸引载流子形成导电沟道。栅极电压越高，栅极电场就越强，沟道中的载流子浓度越高，导电能力越强，沟道电阻就会降低。
 
不过SiC的电子迁移率900 cm²/(V·s)相比硅1500 cm²/(V·s)要更低，需要更高的正栅极电压才能形成足够浓度的载流子，弥补迁移率劣势。
 
SiC的导通电阻由多个部分的电阻串联构成，包括沟道电阻、衬底电阻、JFET区电阻等。当栅极电压升高，沟道电阻显著降低，于是就降低了整体的导通电阻。
 
但同时，栅极驱动器也要控制正栅极电压不能超过最大值，以保护SiC MOSFET器件。
 
SiC MOSEFT还具备高频开关的特性，那么面对高开关速度，SiC MOSFET栅极驱动器需要解决两大问题：抑制开关瞬态干扰、减小米勒效应的影响。
 
SiC MOSFET的开关速度可达100 V/ns以上，超高的开关速度会导致高频振荡和电磁干扰（EMI），那么栅极驱动器要解决这些问题，需要具备低寄生电感的设计，减少环路振荡；优化驱动电阻匹配，平衡开关速度和EMI。
 
快速开关时，米勒电容耦合可能导致栅极电压波动，SiC专用驱动器可以通过动态调整驱动电流或集成米勒钳位电路，抑制误导通风险。
 
另外，由于目前SiC常用在高压领域，比如比亚迪最近推出的1000V平台上使用的1500V SiC MOSFET。在高电压的应用中，栅极驱动器链接高压和低压侧，而SiC MOSFET开关瞬间的电压变化率dv/dt可超过50 V/ns，在高dv/dt场景下，需要确保驱动器能准确传输控制信号，避免因共模噪声导致误触发或损坏。
 
因此SiC栅极驱动器需要具备较高的共模瞬态抗扰度（CMTI），一般需要大于 100 kV/µs。比如英飞凌近期推出的EiceDRIVER™ 6.5A 5.7 kVrms单通道栅极驱动器1ED314xMC12H，CMTI大于300kV/µs；纳芯微NSI6601/NSI6601M 隔离式单通道栅极驱动器CMTI最低为150V/ns。
 
总的来说，栅极驱动器是连接控制信号与SiC MOSFET的桥梁，它通过电荷管理、电压放大、寄生抑制和保护功能，确保了SiC MOSFET的高效可靠运行。而随着电动汽车的电压持续提高，以及SiC的进一步普及，栅极驱动器也将得到更大的应用空间。