半导体“碳化硅（SiC） MOSFET栅极驱动”详解

近年来，基于宽禁带材料的器件技术的不断发展，碳化硅器件的实际工程应用，受到了越来越广泛的关注。相较传统的硅基器件，碳化硅MOSFET具有较小的导通电阻以及很快的开关速度，与硅IGBT相比，导通损耗和开关损耗均有明显减小。SiC MOSFET器件的使用，给实际系统效率的进一步提高，以及系统体积的进一步减小带来了希望。尤其在光伏逆变与电池充电等对效率和体积均有较高要求的应用场合，SiCMOSFET的工程使用已成为炙手可热的话题。

SiC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SiC 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SiC 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SiC器件还是具有一定经济效益的。

因此，如何提升SiC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SiC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。

一、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。

二、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。

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。

三、驱动电平与驱动电流的要求

首先，由于SiC MOSFET器件需要工作在高频开关场合，其面对的由于寄生参数所带来的影响更加显著。由于SiC MOSFET本身栅极开启电压较低，在实际系统中更容易因电路串扰发生误导通，因此通常建议使用栅极负压关断。不同SiC MOSFET器件的栅极开启电压参数列举如下图所示：

为了提高SiC MOSFET在实际工程实际中的易用性，各半导体厂家在SiC MOSFET设计之初，都会尽量调整参数的折中，使得SiC MOSFET的驱动特性接近用户所熟悉的传统硅IGBT。然而，宽禁带半导体器件有其特殊性，以英飞凌CoolSiC™ 系列为例，从规格书与应用指南可知，结合开关频率与寿命计算的综合考量，在某些应用中可以使用15V栅极开通电压，而栅极关断电压最低为-5V。当我们将目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，会发现各家推荐的栅极工作电压也有所差异。因此，理想的适用于SiC MOSFET的驱动芯片应该能够覆盖各种不一样的栅极开通和关断电压需求，至少需要驱动芯片的供电电压压差Vpos-Vneg可达到25v。

虽然SiC MOSFET具有较小的栅极电容，所需要的驱动功率相对于传统IGBT显著较小，但是驱动电流的大小与开关器件工作速度密切相关，为适应高频应用快速开通关断的需求，需要为SiC MOS选择具有较大峰值输出电流的驱动芯片，并且如果输出脉冲同时兼具足够快的上升和下降速度，则驱动效果更加理想，这就意味着要求驱动芯片的上升与下降时间参数都比较小。

四、满足较短死区时间设定的要求

在桥式电路结构中，死区时间的设定是影响系统可靠运行的一个关键因素。SiC MOSFET器件的开关速度较传统IGBT有了大幅提高，许多实际工程使用都希望能因此进一步提高器件的工作频率，从而提高系统功率密度。这也意味着系统设计中需要较小的死区时间设定与之匹配，同时，选择较短的死区时间，也可以保证逆变系统具有更高的输出电压质量。

死区时间的计算，除了要考虑开关器件本身的开通与关断时间，尤其是小电流下的开关时间之外，驱动芯片的传输延时也需要考量。尤其对于本身开关速度较快的开关器件，芯片的延时在死区设定的考量中所占的比重更大。另外，在隔离型驱动设计中，通常采用的是一拖一的驱动方式，因此，芯片与芯片之间的参数匹配差异，也需要在死区设定时一并考量。要满足较小死区时间的要求，选择驱动芯片时，需要相应的参考芯片本身传输延时时间参数，以及芯片对芯片的匹配延时。

五、芯片所带的保护功能

1、短路保护

SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上有所差异，以英飞凌CoolSiC™ 系列为例，全系列SiC MOSFET具有大约3微秒短路耐受能力。可以利用器件本身的这一特性，在驱动设计中考虑短路保护功能，提高系统可靠性。

不同型号SiC MOSFET短路承受能力存在差异，但短路保护响应时间越短越好。借鉴IGBT退饱和检测方法，根据开关管输出特性，SiC MOSFET漏源极电压大小可反映电流变化。与硅IGBT相比，SiC MOSFET输出特性曲线的线性区及饱和区没有明显过渡，发生短路或过流时电流上升仍然很快，这就意味着保护电路需要更快的响应速度来进行保护。

针对SiC MOSFET的短路保护需求，需要选择检测速度快，响应时间短的驱动芯片进行保护电路设计。

此外，根据IGBT的设计经验，每次开通时，需求设定一段消隐时间来避免由于开通前期的Vce电压从高位下降所导致的DSAET误触发。消隐时间的需要，又对本只有3us的SiC MOSFET的短路保护电路设计提出更严苛的挑战，需要驱动芯片的DESAT相关参数具有更高的精度，以实现有效的保护设计。同时，也需要更优化的驱动电路的PCB设计，保证更小的环路寄生电感的影响。

2、有源米勒箝位

前文提到，SiC MOSFET的栅极开启电压较低，加上其寄生电容小，它对驱动电路寄生参数的影响也更加敏感，更容易造成误触发，因此常推荐使用负压进行关断。但同时，由于SiC MOSFET所能承受的栅极负压范围较小，过大的负向电压尖峰可能击穿开关管，某些厂家提出推荐较高的负压关断，甚至0v关断。此种情况下，为保证器件在关断期间不因米勒效应发生误触发，可以使用带有有源米勒箝位功能的驱动芯片进行设计。

六、芯片抗干扰性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驱动芯片，处于高频应用环境下，这要求芯片本身具有较高的抗干扰度。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为CMTI。现行标准中，对磁隔离型驱动芯片抗扰性地测量方法，兼顾了电压上升延与下降延dv/dt，这与实际SiC MOSFE开通和关断都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI参数可以作为衡量用于驱动SiC MOSFE的驱动芯片抗扰度的技术参考。

综上所述，为了在实际应用中发挥SiC MOSFET的高频特性，需要选择具有合适的驱动电压和驱动电流，满足短死区时间设计的较小传输延时以及芯片之间匹配延时的驱动芯片。同时，有效的保护功能与抗干扰性，可以满足更高的系统可靠性要求。下表将英飞凌磁隔离驱动芯片EiceDRIVER™系列的相关参数进行了比较，全系列产品为用户提供了各种个性化选择。

七、SiC MOSFET负电压偏置

SiC MOSFET的负电压偏置是一种通过施加反向电压来确保器件可靠关断的技术，主要应用于防止误开通和降低开关损耗。所以，通过合理设计负偏置电路，可显著提升SiC MOSFET的可靠性和效率，降低长期运行损耗问题，以下就是本章节我要跟大家分享的内容：

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八、SiC MOSFET驱动负压关断的典型电路

SiC MOSFET驱动负压关断模式在很多应用场景中会影响器件开关的可靠性。跟Si功率器件比较，SiC MOSFET开关速度较快、dv/dt高，容易造成栅极串扰。当栅极串扰电压ΔVgs超过器件阈值电压Vgs(th)时，器件将会存在误开通风险。在这种情况下，SiC MOSFET容易损坏。因此在很多工况下，SiC MOSFET需要负压关断用以确保系统安全。

如下图所示，上管MOS关断时候，桥臂中点电位下降，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极负向串扰电压。上管开通时候，桥臂中点电位上升，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极正向串扰ΔVgs。当ΔVgs>Vgs(th)，上下功率管桥臂直通，造成器件损坏。同样原理，下管开通和关断也会在上管栅极分别造成正向和负向串扰。

另外，SiC MOSFET的开启阈值电压随温度的升高而下降。因此，在栅极串扰作用下，高温下器件栅极串扰电压造成桥臂直通的风险进一步加大。因此，为防止SiC MOSFET的误导通，通常需要负压驱动。但是，目前大部分驱动芯片不支持负压驱动。本文将推荐两种驱动电路方案，基于单电源驱动芯片就可以实现负压关断。

下图为基于单电源驱动芯片的驱动电路方案一。VDD1电源通过电阻R1//R2给电容C8//C9充电，电容两端电压快速上升到D4反向击穿电压以后，D4的两端电压稳定，负压VDD2随之建立。VDD1对地PGND-HS的电压幅值大小等于正向驱动电压幅值和关断负压绝对值之和。驱动芯片6脚输出PWM驱动信号。R6为开通电阻，R6//R8为关断电阻。SiC MOSFET的栅极通过驱动芯片内部集成上拉开关管接到芯片电源（VDD1）或者下拉开关管接到芯片地（PGND-HS）。

D4的稳压值选择取决于驱动负压大小。安徽芯塔电子第二代SiC MOSFET典型关断负压为-5V，因此D4稳压值的选取5V，例如VISHAY PTV4.7B（D0-220A封装，Vz=5V)。根据稳压管推荐的反向工作电流来计算限流电阻R1和R2。选取Iz=40mA，那么R1//R2=（25V-5V）/ 40mA=500 ohm。经计算R1和R2消耗功耗0.8W， 可以选取两个1Kohm/1W SMD电阻（封装为2512）并联。

在某些应用场景下，辅助电源无闭环电压控制，VDD1电源瞬态过压很高。这种工况下限流电阻和稳压管的功耗需要仔细核算，避免器件过热损坏。

上图中的驱动方案中，VDD1辅助电源一旦有输出，负压VDD2瞬间就可以建立。换而言之，负压VDD2可以在PWM驱动信号使能之前建。因此，SiC MOSFET的每个开关周期都是负压关断，驱动可靠。

下图的驱动电路方案二是利用电容C1实现负压关断。C1比SiC MOSFET输入电容要大很多，以确保最长的关断时间内，C1在放电的情况下仍旧可以提供足够的负压。只有在PWM驱动信号使能条件下，VDD1通过驱动芯片内部上拉管子给C1充电。由于C1两端电压建立需要若干个开关周期。

因此，SiC MOSFET在最初始的若干个PMM周期关断负压不足，如下图所示。开关频率越高，C1充电到稳定负压的时间越长，负压关断不足的PWM周期数越多，驱动串扰隐患加剧。

C1电容两端负压建立时间和电压纹波受开关频率和占空比的影响。C1电容增加，电容两端电压纹波减小，可是负压建立时间延长。因此，根据具体开关频率和占空比变化范围，可以优化电容C1和电阻R3，调节充放电时间常数，以平衡负压建立时间和电压纹波两个性能指标。

基于上图（方案二）的驱动电路，利用LTspice对电路进行仿真以优化电路参数。栅极驱动信号和C1电压仿真结果如图4和图5所示。在开关频率100KHZ和0.1占空比工况下，电容C1两端负压40us左右（大概5个PWM周期）就建立起来，电容C1在一个开关周期内纹波电压0.1V。综上所述，开关频率过高的时候，电路方案二不建议使用。保持同样100KHz开关频率，当占空比提升到0.9时候，电容C1两端负压3us-4us就建立起来，如下图所示：

从两种上述电路负压关断驱动方案的分析对比可知，两种电路方案成本相当，但第一种方案可以实现全PWM开关周期的额定负压关断，在SiC MOSFET驱动中使用更普遍。

九、驱动SiC MOSFET的影响因素

SiC MOSFET在电力电子行业中的应用越来越广泛。SiC MOSFET很多性能与传统Si基器件不同，对驱动设计也提出了更高的要求。为了最 大化利用SiC MOSFET的性能优势，驱动芯片的选择需要着重考虑如下几个方面：

1、更高的轨到轨电压

IGBT的驱动电压一般都是15V，而SiC MOSFET的推荐驱动电压各品牌并不一致，15V、18V、20V都有厂家在用。更高的门极驱动电压有助于降低器件导通损耗，SiC MOSFET的导通压降对门极电压的敏感性比IGBT更高，所以对SiC MOSFET使用高驱动电压的收益更大。为了防止寄生导通，SiC MOSFET往往还需要负压关断。如果一个SiC MOSFET使用了Vgs=-5V~20V的门极驱动电压，那么就要求前级驱动芯片的输出电压至少是25V，再加一定的余量，一般取35V~40V之间比较合适。

2、更高的共模抑制比

SiC MOSFET是高频器件，不管是上升还是下降过程中的电压变化率dv/dt都远大于IGBT，这要求芯片本身具有较高的抗干扰度。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为共模抑制比CMTI，是衡量驱动芯片是否适用于SiC MOSFE的标准之一。

3、更高的绝缘等级

拓扑结构的不断发展需要引入新的电压等级。比如，2kV SiC MOSFET可将1500VDC光伏系统的拓扑结构从三电平简化至两电压，能够提高系统效率，但是随着电压的提升，只有基本绝缘或者功能绝缘的驱动芯片明显不适用。需要驱动芯片具有加强绝缘能力。

4、抑制误触发

SiC MOSFET阈值电压相对IGBT低很多，英飞凌阈值电压大约是4.5V，而其他很多SiC MOSFET阈值电压仅有2~3V。再加上SiC MOSFET开关时dv/dt很高，SiC MOSFET寄生导通的风险就格外严峻。这就要求驱动芯片最好具有米勒钳位功能。

5、更快的短路保护响应时间

SiC MOSFET芯片面积小，电流密度高，发热集中，所以SiC MOSFET的短路时间大大小于IGBT，英飞凌CoolSiC™ MOSFET单管保证至多3us的短路时间，而模块保证至多2us的短路时间。在这么短的时间内识别出短路并关断功率器件，这对驱动芯片提出了非常高的要求。

总结一下

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的高效可最运行。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。

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审核编辑 黄宇