來源：碳化硅技術研究

碳化硅MOS驅動電壓選擇15V還是18V，是電力電子設計中的關鍵權衡問題。這兩種電壓對器件的導通損耗、開關特性、熱管理和系統可靠性有顯著影響。

那為什么有15V和18V兩種驅動電壓呢?他們的差異到底在哪里?今天我們就一起來學習一下。

首先是柵極氧化層(Gate Oxide)的電場應力差異。SiC MOS的柵氧化層通常采用SiO?，但其臨界擊穿電場強度(約10 MV/cm)遠低于SiC材料本身(>30 MV/cm)，成為器件可靠性的瓶頸。柵氧厚度：典型值50-100 nm(與硅基MOSFET相當)，但承受電壓能力不同。

18V驅動的碳化硅MOS，柵極電場強度 ≈ 3.6-7.2 MV/cm(按100-50nm氧化層計算);15V驅動的碳化硅MOS，柵極電場強度 ≈ 3.0-6.0 MV/cm。在可靠性方面：18V驅動接近SiO?臨界值(8-10 MV/cm)，長期高壓加速氧化層老化，引發福勒-諾德海姆隧穿(F-N Tunneling)，導致Vth負漂移，而15V驅動的安全裕量提升20%，顯著降低柵氧退化風險，高溫下(>175°C)電荷 trapping 效應減弱。18V驅動使柵極電場強度提升20%，直接犧牲長期可靠性換取瞬時性能。

溝道反型層(Inversion Layer)的導通特性

SiC的低溝道遷移率(僅為硅的1/10)是核心瓶頸，需更高垂直電場才能形成低阻通路。

元胞設計：平面柵(Planar)或溝槽柵(Trench)結構影響電場分布。

另外：高溫(>150°C)：SiC價帶激活能降低，15V驅動下溝道導通能力進一步惡化，而18V驅動可補償此缺陷。低溫(<25°C)：15V驅動可能因閾值電壓(Vth)升高導致導通不充分，18V優勢更顯著。

寄生電容(Ciss, Crss, Coss)的開關行為差異

SiC MOS的高摻雜漂移層與薄基區設計導致寄生電容非線性特性突出：米勒電容(Crss)：柵漏電容C_gd在高壓下急劇減小(因耗盡層展寬)。

18V驅動：dv/dt↑ → Crss容抗↓ → 柵極電流Ig = Crss×dv/dt 劇增，高Ig易抬升Vgs超過Vth，需負壓關斷抑制;

15V驅動：dv/dt較低 → Ig幅值減小，米勒平臺電壓更低，寄生導通概率下降30%。

新一代器件(如ROHM雙溝槽柵)通過屏蔽柵設計降低Crss，但18V驅動仍需-5V關斷電壓保障安全。

我們應該如何選擇呢?

選18V驅動的結構及應用場景：

架構上：采用屏蔽柵/雙溝槽等低Crss結構(如Wolfspeed Gen4);系統散熱極佳(如液冷)，可快速轉移JFET區熱量;氧化層工藝升級(如氮化退火SiO?)。

應用場景上：

高頻高功率系統：如光伏逆變器、車載OBC，需最小化損耗提升效率;

有限流電感的拓撲：如LLC諧振轉換器，短路電流可控，抵消抗短路弱點;

低溫環境：結溫<150°C，避免Vth漂移問題(如數據中心電源)。

選15V驅動的結構及應用場景：

結構上：傳統平面柵結構(Cree Gen2/Gen3);高溫應用(>150°C)或氧化層厚度>70nm;無限流能力的拓撲(如Buck-Boost)。

用場景上：

高可靠性需求：如工業電機驅動、電網設備，需長抗短路時間;

高溫或無限流拓撲：結溫≥175°C或Buck電路等，依賴驅動電壓保障安全;

兼容性優先：改造現有Si IGBT系統，避免重新設計驅動電源。

在驅動設計方面需要考慮的因素：

負壓關斷的必要性

18V驅動因高dv/dt風險，必須搭配負壓關斷(-3V~-5V)或米勒鉗位功能。

15V驅動在低dv/dt場景可嘗試0V關斷(如英飛凌CoolSiC)，但需實測驗證。

驅動芯片與電源要求

18V驅動需支持高CMTI(>100V/ns)、軌到軌電壓(如+20V/-5V)，電源設計復雜。

15V驅動可用標準±15V隔離電源，降低成本(如三菱電機SiC模塊)。

短路保護響應時間

SiC MOSFET短路耐受時間僅2-4μs(IGBT為10μs)，18V驅動要求保護電路響應<1.5μs，需專用驅動芯片(如英飛凌1ED38X0系列)。

選擇15V還是18V本質是效率與魯棒性的取舍：

選18V：追求極致效率，接受更高的保護電路成本與可靠性風險;選15V：側重系統穩定性與兼容性，容忍適度損耗增加

終上：選擇時參考具體器件手冊的Rds(on)-Vgs曲線與短路耐受曲線，結合結溫、拓撲結構、保護電路能力綜合決策。高頻場景優選18V+負壓關斷;高溫/高可靠場景首選15V+米勒鉗位。