與硅基開(kāi)關(guān)相比，碳化硅 (SiC) MOSFET 具有一系列優(yōu)勢(shì)，在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得了重大進(jìn)展。這些包括更快的開(kāi)關(guān)、更高的效率、更高的電壓操作和更高的溫度，從而產(chǎn)生更小、更輕的設(shè)計(jì)。

這些特性帶來(lái)了一系列汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用。但 SiC 等寬帶隙器件也會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI)、過(guò)熱和過(guò)壓情況，這些問(wèn)題可以通過(guò)選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決。

由于柵極驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)功率器件。確保使用 SiC 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種方法是其中就有仔細(xì)考慮柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇。同時(shí)，它需要仔細(xì)研究設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求——效率、密度，當(dāng)然還有成本——因?yàn)楦鶕?jù)應(yīng)用要求，總是需要權(quán)衡。

盡管 SiC 具有固有的優(yōu)勢(shì)，但成本仍然是采用的障礙。電源 IC 制造商表示，在零件的基礎(chǔ)上比較 SiC 與硅時(shí)，除非設(shè)計(jì)人員考慮總解決方案成本，否則它們將更加昂貴且難以證明其合理性。

讓我們首先討論 SiC 與硅 MOSFET 或 IGBT 的應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡。SiC FET 具有更低的導(dǎo)通電阻（得益于更高的擊穿電壓）、高飽和速度（可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)）以及三倍的帶隙能量增加。其結(jié)果是結(jié)溫更高，從而改善冷卻效果。同時(shí)，熱導(dǎo)率提高了三倍，轉(zhuǎn)化為更高的功率密度。

業(yè)界一致認(rèn)為低壓 Si MOSFET 和氮化鎵在 <700V 范圍內(nèi)工作。在此之上就是 SiC 發(fā)揮作用的地方，在較低功率范圍內(nèi)有一些重疊。

SiC 主要取代 600 V 以上和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型應(yīng)用，在 11 kW 左右時(shí)更是如此。Microchip Technology 產(chǎn)品線(xiàn)總監(jiān) Rob Weber 表示，這是 SiC 的最佳選擇，可提供高電壓運(yùn)行、低開(kāi)關(guān)損耗和更高的開(kāi)關(guān)頻率。

Weber說(shuō)，這些屬性允許使用更小的濾波器和無(wú)源器件，同時(shí)減少冷卻需求。“我們談?wù)摰氖窍鄬?duì)于 IGBT 的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，最終是尺寸、成本和重量的減小。

“例如，在 30kHz 開(kāi)關(guān)頻率下，您可以將損耗降低高達(dá) 70%”他補(bǔ)充道。

一個(gè)關(guān)鍵的工程基準(zhǔn)是效率，這會(huì)導(dǎo)致改進(jìn)水平。Weber 表示，另一個(gè) SiC 成本效益指標(biāo)正在出現(xiàn)：相對(duì)于 IGBT 的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

“使用碳化硅，您可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，這使您能夠在直接功率級(jí)周?chē)褂酶〉耐獠拷M件，例如濾波器，它們是又大又重的磁性設(shè)備。”他解釋說(shuō)，它們還“由于開(kāi)關(guān)損耗較低而在更高的溫度下運(yùn)行或在更低的溫度下運(yùn)行，用風(fēng)冷系統(tǒng)取代液冷系統(tǒng)，并縮小了散熱器的尺寸”。

Weber 斷言，組件尺寸和重量的減小也意味著成本的降低，這意味著 SiC 提供的不僅僅是更高的效率。

然而，在零件價(jià)格比較中，SiC 仍然比傳統(tǒng)硅基 IGBT 更昂貴。Weber 表示：“每個(gè)制造商的 SiC 模塊成本都會(huì)更高，但從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，SiC 系統(tǒng)成本較低。”

在另一個(gè)示例中，Microchip 客戶(hù)在使用 SiC MOSFET 時(shí)能夠?qū)⑾到y(tǒng)成本降低 6%。一旦設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向 SiC，他們還需要考慮權(quán)衡。功率半導(dǎo)體制造商一致認(rèn)為，必須克服噪聲、EMI 和過(guò)壓等“二次效應(yīng)”。

“當(dāng)你更快地切換這些設(shè)備時(shí)，你可能會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲，這將轉(zhuǎn)化為 EMI，”Weber 說(shuō)。“此外，雖然 SiC MOSFET在較高電壓下表現(xiàn)出色，但在短路條件下以及電壓發(fā)生變化時(shí)，其穩(wěn)健性也遠(yuǎn)不如 IGBT。會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓情況，這導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)人員使用參考電壓比額定電壓更高的 SiC 器件，以便更好地控制過(guò)壓和過(guò)熱。”

這就是柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。SiC 對(duì)電源電壓、快速短路保護(hù)和高 dv/dt 抗擾度等特性帶來(lái)了獨(dú)特的要求。

選擇柵極驅(qū)動(dòng)器

在將碳化硅開(kāi)關(guān)與硅基器件進(jìn)行比較時(shí)，為碳化硅開(kāi)關(guān)選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器需要新的思維方式。需要關(guān)注的關(guān)鍵領(lǐng)域包括拓?fù)洹㈦妷骸⑵靡约氨O(jiān)控和保護(hù)功能。

Weber 表示，以前，使用順序方法來(lái)選擇柵極驅(qū)動(dòng)器是可以接受的。“在采用 SiC 之前，您首先會(huì)選擇 IGBT，然后是柵極驅(qū)動(dòng)器，然后是母線(xiàn)和電容器”他說(shuō)。“完全變了。您必須著眼于正在構(gòu)建的整體解決方案以及每一步的權(quán)衡，而不是采用 IGBT 的順序方法。這對(duì)很多客戶(hù)來(lái)說(shuō)都是一次教育。”

此外，還有各種在功能、集成度和價(jià)格方面有所不同的 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)簡(jiǎn)單到更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

德州儀器 (TI) 高壓電源系統(tǒng)工程負(fù)責(zé)人 Lazlo Balogh 表示，拓?fù)洹⒐β仕健⒈Ｗo(hù)和功能安全要求以及正在使用的 SiC 器件決定了應(yīng)用所需的驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型

例如，非隔離驅(qū)動(dòng)器可能需要很多額外的電路，Balogh 說(shuō)。

還有一些隔離驅(qū)動(dòng)器可以處理負(fù)偏置和隔離問(wèn)題，但仍然需要某種類(lèi)型的系統(tǒng)監(jiān)控。他補(bǔ)充說(shuō)，這對(duì)于提供進(jìn)一步集成的設(shè)備來(lái)說(shuō)是正確的，例如汽車(chē)應(yīng)用的監(jiān)控和保護(hù)電路以及功能安全。

“正確部署 SiC 的清單是查看拓?fù)湟约氨仨汄?qū)動(dòng)哪種類(lèi)型的設(shè)備，然后選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，優(yōu)化偏置，找出需要哪種保護(hù)，然后優(yōu)化布局，”巴洛說(shuō)。

阻礙 SiC 應(yīng)用的障礙之一是需要更高開(kāi)關(guān)速度的特殊封裝以消除源電感。

Balogh 說(shuō)，這通常是通過(guò)開(kāi)爾文源連接完成的。“源電感可能很糟糕，會(huì)導(dǎo)致大量額外的功率損耗，因?yàn)樗鼤?huì)減慢開(kāi)關(guān)動(dòng)作。”

“這就是布局工程師成為你最好的朋友的地方，因?yàn)槟愦_實(shí)必須查看布局優(yōu)化它以實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)，”Balogh 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，這包括最大限度地減少走線(xiàn)電感、分離柵極和電源環(huán)路，以及通過(guò)選擇正確的組件來(lái)適當(dāng)旁路開(kāi)關(guān)電流路徑和寬頻帶。

Balogh 說(shuō)，真正關(guān)鍵的是將驅(qū)動(dòng)器連接到開(kāi)關(guān)。他說(shuō)，設(shè)計(jì)人員必須將驅(qū)動(dòng)器的地直接連接到電源開(kāi)關(guān)的源極，因?yàn)殡s散電感會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。

供應(yīng)商同意可以使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制 SiC 設(shè)備。盡管如此，設(shè)計(jì)人員必須確定權(quán)衡的，這通常需要額外的電路或更大的外部設(shè)備。例如，使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)減少振鈴和過(guò)壓的一種方法是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

TI 的 Balogh 表示，其他考慮因素包括保護(hù)功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開(kāi)關(guān)和芯片熱點(diǎn)，所有這些都可以決定功率損耗、EMI 和尺寸。

此外，額外的電路通常比專(zhuān)用 SiC 占用更多的空間。因此，高端設(shè)計(jì)通常選擇專(zhuān)用的 SiC 核心驅(qū)動(dòng)器，這會(huì)考慮到更快的開(kāi)關(guān)、過(guò)壓條件以及噪聲和 EMI 等問(wèn)題。他說(shuō)：“你總是可以使用標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)器，但你必須用額外的電路來(lái)補(bǔ)充它，通常這就是權(quán)衡。”