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如何優(yōu)化SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)?這款I(lǐng)C方案推薦給您

發(fā)布時(shí)間:2023-08-15 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在高壓開關(guān)電源應(yīng)用中,相較傳統(tǒng)的硅MOSFET和IGBT,碳化硅(以下簡(jiǎn)稱“SiC”)MOSFET有明顯的優(yōu)勢(shì)。使用硅MOSFET可以實(shí)現(xiàn)高頻(數(shù)百千赫茲)開關(guān),但它們不能用于非常高的電壓(>1000 V)。而IGBT雖然可以在高壓下使用,但其 "拖尾電流 "和緩慢的關(guān)斷使其僅限于低頻開關(guān)應(yīng)用。SiC MOSFET則兩全其美,可實(shí)現(xiàn)在高壓下的高頻開關(guān)。然而,SiC MOSFET的獨(dú)特器件特性意味著它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路有特殊的要求。了解這些特性后,設(shè)計(jì)人員就可以選擇能夠提高器件可靠性和整體開關(guān)性能的柵極驅(qū)動(dòng)器。在這篇文章中,我們討論了SiC MOSFET器件的特點(diǎn)以及它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求,然后介紹了一種能夠解決這些問題和其它系統(tǒng)級(jí)考慮因素的IC方案。


 一  SiC MOSFET特性


與硅器件相比,SiC MOSFET的跨導(dǎo)(增益)更低,內(nèi)部柵極電阻更高,其柵極導(dǎo)通閾值可能低于2 V。因此,在關(guān)斷狀態(tài)下,必須向SiC MOSFET施加負(fù)柵源電壓(通常為-5 V)。SiC器件的柵源電壓通常要求在18 V ~ 20 V之間,以降低導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻(RDS)。SiC MOSFET工作在低VGS下可能會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力或由于高RDS而可能導(dǎo)致故障。與低增益相關(guān)的其他影響會(huì)直接影響幾個(gè)重要的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性,在設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮這些影響,包括導(dǎo)通電阻、柵極電荷(米勒平臺(tái))和過電流(DESAT)保護(hù)。


 二  導(dǎo)通電阻


在低VGS時(shí),一些SiC器件的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫特性之間的關(guān)系曲線看起來是拋物線*(由于內(nèi)部器件特性的組合)。(*這適用于安森美M1和M2 SiC MOSFET。)當(dāng)VGS = 14 V時(shí),RDS似乎具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)特性,即電阻隨溫度升高而降低。SiC MOSFET的這一獨(dú)特特征直接歸因于其低增益,這意味著如果兩個(gè)或更多的SiC MOSFET并聯(lián)工作在低VGS(負(fù)溫度系數(shù))下,可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性損壞。因此,只有當(dāng)VGS足以確??煽康恼郎囟认禂?shù)工作時(shí)(即VGS>18V),才建議將SiC MOSFET并聯(lián)工作。


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圖1:M1或M2 SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線

新一代M3 SiC在所有VGS和所有溫度范圍都顯示正溫度系數(shù)


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圖2:M3 SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫之間的關(guān)系曲線


 三  柵極電荷


向SiC MOSFET施加?xùn)旁措妷?VGS)時(shí),電荷被傳輸以盡快使VGS從VGS(MIN)(VEE)和VGS(MAX)(VDD)升高。由于器件的內(nèi)部電容是非線性的,因此可以使用VGS與柵極電荷(QG)的關(guān)系曲線來確定在給定的VGS下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET的這種 "米勒平臺(tái) "發(fā)生在較高的VGS上,而且不像硅MOSFET那樣平坦。不平坦的米勒平臺(tái)意味著在相應(yīng)的電荷范圍內(nèi),VGS不是不變的,這也是由于器件低增益導(dǎo)致的。同樣值得注意的是,QG = 0 nC(關(guān)斷SiC MOSFET所需的電荷量) 不會(huì)發(fā)生在VGS = 0 V時(shí),因此VGS必須為負(fù) (本例中為-5 V),以使柵極完全放電。


由于我們想測(cè)量導(dǎo)通或關(guān)斷SiC MOSFET所需的電荷量,我們的曲線只繪制了Qg的增量(或Qg的累積或Qg的變化)。這個(gè)數(shù)值也叫Qg。這可能會(huì)引起混淆。我們需要將這張圖解讀為需要的能量,而不純粹是存儲(chǔ)在柵源電容器中的能量。


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圖3:SiC MOSFET柵源電壓與柵極電荷的關(guān)系


使用負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)阻斷電壓主要是為了減少關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流。這也是由于跨導(dǎo)增益低造成的。使用負(fù)的阻斷電壓還可以減少開關(guān)損耗,主要是在關(guān)斷期間的開關(guān)損耗。


因此,幾乎對(duì)于所有的SiC MOSFET,都建議在關(guān)斷狀態(tài)下使用的最小VGS為-5 V < VGS(MIN) < -2 V,有些制造商規(guī)定電壓低至-10 V。


 四 欠壓保護(hù)(DESAT)


DESAT保護(hù)是一種過電流檢測(cè),起源于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。在導(dǎo)通時(shí),如果IGBT不能再保持飽和狀態(tài)("去飽和"),集電極-發(fā)射極電壓就會(huì)上升,同時(shí)全集電極電流流過。顯然,這對(duì)效率有不利影響,在最壞的情況下,可能導(dǎo)致IGBT的災(zāi)難性故障。所謂的 "DESAT "功能監(jiān)測(cè)IGBT的集電極-發(fā)射極電壓,并檢測(cè)何時(shí)出現(xiàn)潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET中的故障機(jī)制有些不同,但會(huì)有類似的情況,在最大ID流過時(shí)VDS可能上升。如果導(dǎo)通期間的最大VGS太低,柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通沿太慢,或者存在短路或過載情況,就會(huì)出現(xiàn)這種不理想的條件。在滿載ID的情況下,RDS會(huì)增加,導(dǎo)致VDS意外上升。當(dāng)SiC MOSFET發(fā)生欠飽和事件時(shí),VDS的反應(yīng)非常迅速,而最大漏極電流繼續(xù)流過不斷增加的導(dǎo)通電阻。當(dāng)VDS達(dá)到預(yù)定的閾值時(shí),就可以激活保護(hù)。應(yīng)特別注意避免感測(cè)VDS的延遲,因?yàn)檠舆t會(huì)掩蓋這種現(xiàn)象。因此,DESAT是柵極驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)重要的輔助性保護(hù)。


 五 動(dòng)態(tài)開關(guān)


SiC MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)有四個(gè)不同的階段。所示的動(dòng)態(tài)開關(guān)波形呈現(xiàn)的是理想工作條件的情況。然而,在實(shí)踐中,封裝寄生物,如引線和邦定線電感、寄生電容和PCB布局會(huì)極大地影響實(shí)際波形。合適的器件選擇、最佳的PCB布局,以及對(duì)設(shè)計(jì)好的柵極驅(qū)動(dòng)電路的重視,對(duì)于優(yōu)化開關(guān)電源應(yīng)用中使用的SiC MOSFET的性能都是至關(guān)重要的。


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圖4:SiC MOSFET導(dǎo)通序列的4個(gè)階段


 六 柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求


●   對(duì)于大多數(shù)SiC MOSFET,驅(qū)動(dòng)電壓在-5 V > VGS > 20 V之間時(shí)性能最佳。柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能承受VDD = 25 V和VEE = -10 V,以適用于最廣泛的可用器件


●   VGS必須有快速的上升沿和下降沿(在幾ns范圍內(nèi))


●   在整個(gè)米勒平臺(tái)區(qū)域內(nèi),有能力提供高的峰值柵極灌電流和拉電流(數(shù)安培)


●   當(dāng)VGS下降到米勒平臺(tái)以下時(shí),需要提供一個(gè)非常低的阻抗保持或 "鉗位",以實(shí)現(xiàn)高的灌電流能力。灌電流的額定值應(yīng)超過僅對(duì)SiC MOSFET的輸入電容放電所需的電流。10A左右的峰值灌電流最小額定值應(yīng)適用于高性能、半橋電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)


●   VDD欠壓鎖定(UVLO)水平,與開關(guān)開始前VGS>~16 V的要求相匹配


●   VEE UVLO監(jiān)測(cè)能力確保負(fù)電壓軌在可接受的范圍內(nèi)


●   能夠檢測(cè)、報(bào)告故障和提供保護(hù)的去飽和功能,使SiC MOSFET長(zhǎng)期可靠運(yùn)行


●   支持高速開關(guān)的低寄生電感


●   小尺寸驅(qū)動(dòng)器封裝,布局盡可能靠近SiC MOSFET


 七 柵極驅(qū)動(dòng)器方案


安森美的NCP51705是一款SiC柵極驅(qū)動(dòng)器IC,提供高的設(shè)計(jì)靈活度和集成度,幾乎與任何SiC MOSFET兼容。NCP51705集成許多通用柵極驅(qū)動(dòng)器IC所共有的功能,包括:


●   VDD正電源電壓最高28V


●   高峰值輸出電流:6 A拉電流和10 A灌電流


●   內(nèi)置5 V基準(zhǔn)可用于偏置5 V、20 mA以下的低功耗負(fù)載(數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器等)


●   單獨(dú)的信號(hào)和電源接地連接


●   單獨(dú)的源和灌輸出引腳


●   內(nèi)置熱關(guān)斷保護(hù)


●   單獨(dú)的非反相和反相TTL、PWM輸入


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圖5:NCP51705 SiC柵極驅(qū)動(dòng)器框圖


然而,該IC集成幾個(gè)獨(dú)特的功能,能夠以最少的外部元器件設(shè)計(jì)出可靠的SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路。這些功能包括:


●   欠壓保護(hù)(DESAT)


●   電荷泵 (用于設(shè)置負(fù)電壓軌)


●   可編程的欠壓鎖定(UVLO)


●   數(shù)字同步和故障報(bào)告


●   24引腳,4毫米×4毫米,熱增強(qiáng)型MLP封裝,便于板級(jí)集成


 八 總結(jié)


在選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器IC時(shí),SiC MOSFET的低增益給設(shè)計(jì)人員帶來了難題。通用的低邊柵極驅(qū)動(dòng)器不能高效和可靠地驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET。NCP51705集成一系列功能,為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、高性能、高速的解決方案,高效、可靠地驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET。


作者:安森美業(yè)務(wù)拓展工程師Didier Balocco



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