第三代电力电子半导体：SiC MOSFET学习笔记（三）SiC驱动方案

如何为SiC MOSFET选择合适的驱动芯片？（英飞凌官方）

由于SiC产品与传统硅IGBT或者MOSFET参数特性上有所不同，并且其通常工作在高频应用环境中， 为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动芯片，需要考虑如下几个方面：

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图1所示。

图1：不同SiC MOSFET 栅极开启电压参数比较
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。

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。

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。

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。表1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。

英飞凌的驱动方案：(650V)

谈到性能，CoolSiC™ MOSFET具有非常低的开关损耗和传导损耗，它们通过相对平坦的RDS(on)与温度的依赖关系得到改善。特别是，抑制寄生电容产生的门极误开通的稳健性不仅对开关损耗有积极影响，而且在易用性方面也有重大意义。由于寄生电容导致误开通的倾向性很低，CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V时可靠关断的器件，不需要使用负电压（虽然该器件也可以这样使用）。因此，该驱动方案可以很简单，并与超结MOSFET驱动解决方案完全兼容。

关于驱动电压范围，VGS范围的上限与最大容许电压之间需要有一定的电压裕度（VGS, max；在数据手册中指定）。该裕度保证缓冲区可以防止可能引起应力和损坏栅极氧化物的过冲电压。这是CoolSiC™技术为确保可靠性而采取的额外措施。

EiceDRIVER™ IC令解决方案更趋完备
英飞凌现已开发出六款专用栅极驱动IC，为的是以最佳方式驱动和保护英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件。如图4所示，它们采用四种不同封装，可以轻松适应功率密度、PCB空间和隔离等级等方面的不同设计要求。
单沟道非隔离EiceDRIVER™ IC 1EDN9550B和1EDN6550B采用SOT-23 6-pin封装，可用于驱动碳化硅半桥(HB)低边开关。由于其具备真正的差分输入(TDI)，它们特别适合驱动支持开尔文源极连接的4引脚MOSFET。独特的差分驱动概念可以安全地防止由于控制器与驱动IC参考电位之间的电阻或感应电压降而导致的误触发，即使对于非常快速的开关瞬态也是如此。因此，TDI栅极驱动IC为确保碳化硅MOSFET的高效运行带来了设计紧凑但功能强大的解决方案。

隔离式EiceDRIVER™ IC 1EDB9275F和1EDB6275F采用DSO-8 150mil封装，具有3 kVrms隔离电压额定值，符合UL 1577标准（有待认证）。结合TDI驱动器，可以实现混合栅极驱动配置，驱动采用图腾柱PFC或谐振LLC拓扑的碳化硅HB器件。通过采用单沟道栅极驱动IC，增大了布局的灵活性，可以优化驱动IC在PCB上的布局，从而最大限度减小栅极回路寄生电感。此外，这种混合栅极驱动配置可节省28%的PCB面积（相比双沟道栅极驱动IC而言），并且在BOM物料清单方面很有竞争力。

通过利用英飞凌专用的双沟道隔离栅极驱动IC，可以实现替代的栅极驱动解决方案。EiceDRIVER™ 2EDF9275F采用DSO-16 150mil封装，非常适合图腾柱PFC拓扑。如果PWM信号必须越过安全隔离屏障，如在支持次级侧控制的谐振LLC中，那么，正确的选择是采用加强隔离的2EDS9265H。此外，该驱动采用DSO-16 300mil封装，符合VDE 0884-10和UL 1577标准的安全要求。

表1显示英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的专用栅极驱动IC的主要规格。尽管有不同的封装和输入到输出隔离类别、额定值和认证，但这些栅极驱动器仍然基于相同的轨对轨驱动器输出级。它是由互为补充的MOS晶体管实现的，可以提供典型的5.4 A源电流和9.8 A灌电流，用于快速开通和关断，从而最大限度降低开关损耗。拉电流pMOS晶体管的RON为0.85Ω，灌电流nMOS晶体管的RON为0.35Ω，驱动器可视为近乎理想的开关，由于该IC的功耗更低，因此可以使其运行温度更低。

共模瞬态抗扰性(CMTI)至关重要，可以确保在电隔离栅极驱动IC的输入与输出参考电位（接地）之间快速瞬变期间不会发生信号破坏的情况。由于碳化硅MOSFET可以产生超过100 V/ns的快速电压瞬变，CMTI是选择栅极驱动器时要考虑的一个关键参数。1EDB6275F和1EDB9275F可确保最低的300 V/ns CMTI稳健性，而2EDF9275F和2EDS9265H最低为150 V/ns，这远远超出大多数快速开关碳化硅应用的要求。

为充分发挥碳化硅MOSFET的潜力，驱动器的时序也特别重要。低输入-输出传输延迟结合在温度和生产变化上的高精度，允许在半桥的两个PWM信号之间使用很短的死区时间；这可以通过增加有效功率传输周期来提高效率。

即将推出；VDDO = 15 V，VOUT = 0 V，Tamb = 25°C
图5为英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V在图腾柱PFC中的典型用例。它由EiceDRIVER™ 1EDB9275F和1EDN9550B驱动的48 mΩ碳化硅半桥器件组成，采用混合栅极驱动配置；通常使用低RDS(on)MOSFET作为同步整流器来实现功率路径中指示的二极管功能。因此，该功率级可处理最高3.3 kW，效率超过99%。

英飞凌WBG技术的好处之一是可以使用标准的栅极驱动器，因为推荐的驱动电压分别为0 V和18 V。与15 V驱动相比，18 V栅极驱动电压将RDS(on)降低约18%。总之，考虑到表1中列出的产品组合，客户在欠压锁定(UVLO)级别方面有很多选择，可以选择最适合的栅极驱动电压。UVLO功能可确保在输出侧电源电压VDDO降至导致电源开关以线性模式工作的等级时，栅极驱动IC将使晶体管处于“关断”状态并处于其安全工作(SOA)区内，从而避免了任何过多的功耗。1EDN6550B和1EDB6275F的典型UVLOoff为11.5 V，是15 V栅极驱动的正确选择。对于具有较高栅极驱动电压（如18 V）的应用场合，必须选择1EDN9550B、1EDB9275F、2EDF9275F或2EDS9265H，因为它们都具备更高UVLOoff等级。此外，如图5所示，建议在栅极和开尔文-源极之间连接一个肖特基二极管，以钳制在栅极端子上引起的开关感应下冲，这可能会导致整个使用寿命中栅极阈值电压VGS(th)的电位漂移。

由于1EDB9275F、1EDB6275F、1EDN9550B和1EDN6550B具有反向(IN-)和非反向(IN+)输入，因此可以通过将两个PWM信号路由至每个栅极驱动IC来实现击穿保护，如图5所示；任何不想要的低边和高边PWM信号的重叠都不会传播到晶体管的栅极。如果不需要此附加保护功能，只需将IN-连接至GNDI即可将其禁用。

简言之，EiceDRIVER™产品系列的单沟道和双沟道电隔离栅极驱动IC均为驱动英飞凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的最佳选择，以在高性能功率转换应用场合实现效率、功率密度和稳健性的最佳组合。

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