如何为您的SiC MOSFET选择合适的栅极驱动器

虽然 SiC 提供了一系列优势，包括更快的开关和更高的效率，但它也带来了一些设计挑战，可以通过选择正确的栅极驱动器来解决。

碳化硅 (SiC) MOSFET 凭借一系列优于硅基开关的优势，在功率半导体行业取得了重大进展。这些包括更快的开关、更高的效率、更高的工作电压和更高的温度，从而使设计更小、更轻。这帮助他们在一系列汽车和工业应用中找到了家。但是像 SiC 等宽带隙 (WBG) 器件也带来了设计挑战，包括电磁干扰 (EMI)、过热和过压条件，这些可以通过选择正确的栅极驱动器来解决。

由于栅极驱动器用于驱动功率器件，因此它是功率难题的关键部分。确保使用 SiC 进行优化设计的一种方法包括首先仔细考虑您选择的栅极驱动器。同时，它需要仔细审视您的设计的关键要求——效率、密度，当然还有成本——因为根据应用要求，总是需要权衡取舍。

尽管 SiC 具有固有的优势，但定价仍然是采用的障碍。根据电源 IC 制造商的说法，如果您在零件比较的基础上查看 SiC 与硅，那么除非设计人员查看解决方案的总成本，否则将更加昂贵且难以证明其合理性。

因此，让我们首先讨论 SiC 与硅 MOSFET 或 IGBT 的应用、优势和权衡。SiC FET 具有更低的导通电阻（由于更高的击穿电压）、更高的饱和速度以实现更快的开关，以及 3 倍高的带隙能量，从而导致更高的结温以改善冷却，以及 3 倍高的热导率，这意味着进入更高的功率密度。

业界一致认为，低压 Si MOSFET 和 GaN 在 <700-V 及以上范围内发挥作用，而 SiC 在低功率范围内有一点重叠。

SiC 主要取代超过 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 类型应用，在约 11 kW 时更是如此，这对于 SiC 来说更像是一个甜蜜点，这意味着高电压操作、低开关损耗和更高的Microchip Technology 分立和电源管理数字栅极驱动器 (AgileSwitch) 产品线总监 Rob Weber 表示，开关频率功率级。

他说，这允许使用更小的滤波器和无源元件，并减少冷却需求。“我们谈论的是相对于 IGBT 的系统级优势，最终是尺寸、成本和重量的减小。

“从 aa 损耗的角度来看，您可以将损耗降低多达 70%，例如，在 30 kHz 的开关频率下，这是碳化硅在击穿场、电子饱和速度方面的一些不同特性的结果、带隙能和热导率，”韦伯说。

SiC 与 Si 和 IGBT（来源：Microchip Technology）

Weber 表示，工程师关注的基准是效率，这会导致改进水平，但在 SiC 中越来越多地发生的另一件事是系统级优于 IGBT 的优势。

“使用碳化银，您可以在更高的开关频率下工作，这使您可以在直接功率级周围拥有更小的外部组件，例如滤波器，它们是大而重的磁性设备；由于较低的开关损耗，在较高温度下运行或在较低温度下运行；用风冷系统代替液冷系统，并缩小散热器的尺寸，”他解释说。

他说，这种组件尺寸和重量的减少意味着成本更低，这意味着碳化硅不仅能提高效率。

然而，在部件与部件之间的价格比较中，碳化硅仍然比传统的硅基 IGBT 贵。“每个制造商的 SiC 模块成本都会更高，但是当您查看整个系统时，SiC 系统的成本更低，”Weber 说。

在 Weber 分享的一个示例中，一位客户在使用 SiC MOSFET 时能够将系统成本降低 6%。

一旦设计师决定改用 SiC，他们还需要权衡利弊。功率半导体制造商同意必须处理噪声、EMI 和过压等“二次效应”。

“当你更快地切换这些设备时，你可能会产生更多的噪声，这会转化为 EMI，”Weber 说。“此外，虽然 SiC 在较高电压下表现出色，但它在短路条件下的稳健性也远不如 IGBT，而且您的电压会发生变化，因此会出现过压情况，这导致一些设计人员使用更高的额定电压SiC 器件，因此它们可以更好地控制过压和过热。”

这就是栅极驱动器的选择发挥重要作用的地方。SiC 对电源电压、快速短路保护和高 dv/dt 抗扰度等特性有独特的要求。

选择碳化硅栅极驱动器

在为 SiC 开关选择合适的栅极驱动器时，与基于硅的设备相比，在考虑电源解决方案时需要一种新的思维方式。要查看的关键领域包括拓扑、电压、偏置以及监控和保护功能。

Weber 说，栅极驱动器的选择至关重要，从历史上看，使用顺序方法来选择栅极驱动器是可以的。“在使用 SiC 之前，您会首先选择 IGBT，然后是栅极驱动器，然后是母线和电容器等，”Weber 说。“完全变了。您必须查看您正在构建的整个整体解决方案以及每一步的权衡，而不是采用 IGBT 的这种顺序方法。这对很多客户都是一种教育。”

此外，还有多种用于 SiC 的栅极驱动器，其特性和集成度（和价格）范围广泛，针对简单到更复杂的设计。

德州仪器 (TI) 高压电源系统工程主管 Lazlo Balogh 表示，拓扑结构、功率电平、保护和功能安全要求以及所用 SiC 器件的代数将决定应用所需的驱动器类型。

例如，可能需要大量额外电路的非隔离驱动器适用于更简单的应用，在这种应用中，并非所有东西都必须集成到驱动器中，他说。

他补充说，还有一些隔离驱动器可以处理负偏置和隔离问题，但仍需要在系统中进行某种监控，直到提供进一步集成的设备，例如监控和保护电路以及汽车应用的功能安全。

“以正确方式部署 SiC 的清单是查看拓扑结构以及您必须驱动的设备类型，然后选择栅极驱动器、优化偏置、确定需要哪种保护，然后优化布局，”巴洛格说。

从驱动器的角度来看，它具有正确的偏置，因此具有正确的电压能力，无论您需要隔离式还是非隔离式栅极驱动器，需要多少保护，这与集成级别 [保护和安全] 或如何他补充说，需要很多额外的电路。

Balogh 说，稍微阻碍 SiC 的因素之一是认识到由于更高的开关速度，它需要放入消除源电感的封装中，这通常是通过开尔文源连接来完成的。“源电感可能很糟糕，会导致大量振铃和额外的功率损耗，因为它会减慢开关动作。”

开尔文源连接（来源：德州仪器公司）

“这是布局工程师成为您最好的朋友的地方，因为您确实必须查看布局以减轻振铃并针对高速切换对其进行优化，”Balogh 说。他补充说，这包括最大限度地减少走线电感，将栅极回路与电源回路分开，并通过选择正确的组件来适当地旁路[开关电流路径和宽频带]。

Balogh 说，真正重要的是将驱动程序连接到开关。他说，由于杂散电感会增加开关损耗，因此您必须将驱动器的接地直接连接到电源开关的源极。

德州仪器 (TI) 提供了许多参考板/设计，使客户能够接近他们的性能要求。Balogh 说，总有一些权衡取舍，英飞凌可以帮助他们根据自己的需求优化设计，例如他们是否需要满载时的峰值效率。他的建议是：如果您对驱动 WBG 有任何疑问，请阅读应用说明并联系应用工程师。

Texas Instruments 提供一系列 Si 和 IGBT 栅极驱动器，包括 UCC21710、UCC21732、UCC21750。这些是具有集成保护和传感功能的隔离式栅极驱动器。这些器件提供快速检测时间以防止过流事件，同时确保系统安全关闭。

保护功能（来源：德州仪器）

英飞凌科技区域应用工程师 Mladen Ivankovic 表示，在选择 SiC MOSFET 时，要问的第一个关键问题是“该组件需要单极驱动还是双极驱动”。

市场上有快速而强大的驱动器，既可以驱动 Si 也可以驱动 SiC，但人们在从 Si 转向 SiC 时需要谨慎的是如何驱动它，因为硅是用 12 伏的典型电压驱动的，Ivankovic说。“你使用 12-V 来开启和使用 0V 来关闭，所以驱动硅元件或超级结 MOSFETS 的驱动器的正常电压范围是 0 到 12 伏，这对于任何硅元件供应商都是全面的，他加了。

另一方面，不同厂商的 SiC 器件会有不同的开启/开启电压。例如，市场上有 SiC MOSFET，需要 +15 V 才能开启，-4 V 才能关闭，或者 +20 V 开启，-2 或 -5 V 关闭，Ivankovic说。“这需要一个能够使用正负电压的驱动器。”

但使用英飞凌 SiC，您只需要更宽的电压范围，他说。“因此，不是 0 到 12 V，您需要用 0 到 18 V 驱动它，并且您可以使用用于 Si 或 SiC 的相同驱动器。”

Ivankovic 说，因此您必须小心选择是需要单极栅极驱动器还是需要正负栅极驱动器才能正确驱动组件。

英飞凌最近推出了适用于一系列工业应用的EiceDRIVER X3 增强型模拟 (1ED34xx) 和数字 (1ED38xx) 栅极驱动器 IC。这两个系列均设计用于分立和模块封装中的 IGBT 以及 Si 和 SiC MOSFET。1ED34xx 通过外部电阻器提供可调节的去饱和滤波时间和软关断电流，1ED38xx 为多个参数提供 I2C 可配置性，包括可调控制和保护功能，例如短路保护、软关断、欠压锁定、米勒钳位、过温关断和两级关断 (TLTO)。

英飞凌的 EiceDRIVER 1EDBx275F 是一系列单通道隔离式栅极驱动器 IC，旨在驱动 Si、SiC 和 GaN 功率开关。（来源：英飞凌科技）

可配置的数字栅极驱动器

许多领先的电源 IC 制造商已经开发了独特的 SiC 栅极驱动器技术和解决方案，以解决一些二次效应，并最大限度地发挥转向 WBG 技术的优势。

例如，Microchip 在其 AgileSwitch 驱动程序中采用数字方法，其中包括一种称为“增强开关”的独特技术。该技术的一个关键要素是可配置的开启/关闭，提供一系列步骤来控制电压电平和这些电压电平的时间。这允许设计人员通过软件以数字方式配置开启/关闭配置文件，无需更改硬件。该技术还包括额外级别的故障监控检测和短路响应。

Microchip 声称有重大改进：开关损耗降低 50%，电压过冲降低 80%。

“传统的模拟方法当然适用于硅开关，其中许多次级效应在驱动慢速 IGBT 时不是问题，但碳化硅是一种完全不同的动物，”Weber 说。

Weber 表示，数字栅极驱动技术的关键要素之一是能够非常快速地保护短路状况，然后以安全的方式对其做出响应。

数字栅极驱动器的进步（来源：Microchip Technology）

Microchip 最近推出了其第 2 代数字栅极驱动器，为第一代器件增加了新的控制水平。可配置的栅极驱动器可用于任何供应商的 SiC MOSFET。

MOSFETS 的差异与开启和关闭电压有关，因此

Weber 说，即使公司与公司之间可能具有不同的正负电压，也能够对 +/- 电压电平进行编程，这些都可以通过栅极驱动器进行配置。

AgileSwitch 可配置性（来源：Microchip Technology）

Weber 表示，客户已经能够将他们的开发周期和开发时间缩短多达六个月。“你可以使用软件来做你过去用焊枪或电路板重新旋转做的事情的想法是一种不同的心态。但您知道，对于开始采用它的客户来说，他们认为它改变了游戏规则。”

他还指出，它为客户提供了更大的灵活性，尤其是在供应链面临挑战的时候。“当供应可用时，公司将能够在供应商之间转移。”

Microchip 在一系列栅极驱动器板产品中实现了 ASD2 数字栅极驱动器 IC，这些产品被称为栅极驱动器内核 - 带有电源栅极驱动器的半桥设备，带有微处理器和一定程度的可配置性和控制。该公司还支持与一系列适配器板或子卡的全行业兼容性，这些适配器板或子卡能够使用 Microchip 和竞争对手提供的不同行业标准模块类型。

数字栅极驱动器还允许设计人员针对当今的应用优化 MOSFET，而不是优化 5 年或 10 年，以解决开关随时间或使用而退化的问题。

“对于我们的驱动器，客户正在关注和感兴趣的事情之一是能够针对当今的 MOSFET 进行优化，其想法是随着时间的推移，如果 MOSFET 确实性能下降，他们可以更改设置以优化 MOSFET。通过这种方式，他们可以从今天的系统中获得更高的效率，而不是通过为未来最坏的情况进行设计而放弃这种效率，”Weber 说。

他补充说，这可以在模拟解决方案中完成，并且总是有多种方法可以实现，但是开发解决方案的成本、权衡和时间是多少。

使用标准驱动程序

供应商同意可以使用标准驱动器来控制 SiC 设备，但他们必须决定权衡的大小，而这种权衡通常需要额外的电路或更大的外部设备。例如，在使用标准驱动器时减少振铃和过压的一种方法是增加栅极电阻器的尺寸。

Balogh 指出需要考虑的其他问题，例如保护功能、欠压锁定、更高频率的操作、更快的开关和芯片上的热点，这些都会对功率损耗、EMI 和尺寸产生影响。
此外，额外的电路通常比集成解决方案和专用 SiC 占用更多空间，因此存在很多负面影响，因此高端设计选择专用 SiC 内核驱动器，它考虑了更快的开关等因素、过压条件以及围绕噪声和 EMI 的问题，他说。

“你总是可以使用标准的栅极驱动器，但你必须用额外的电路来补充它，这通常是一种权衡，”Balogh 同意道。

例如，对于小型高功率密度设计，可以使用 SOT23 封装中的标准非隔离栅极驱动器，Balogh 说。他说，非隔离驱动程序不能直接适用，但可以做到，而且很多人都走这条路。

审核编辑：汤梓红