正确使用SiC MOSFET的出色驱动器

本文描述了使用 SiC MOSFET 的一般接线图，并解释了如何将其整合到仿真中。

碳化硅 (SiC) 是一种日益重要的半导体材料，未来必将在大功率应用中取代硅。为了更好地管理 SiC 器件，有必要创建一个足够的驱动程序来保证其明确激活或停用。一般来说，它的闭合需要在“栅极”和“源极”之间施加大约 20 V 的电压，而对于它的打开，需要大约 -5 V 的负电压（地）并且开关驱动器必须非常快，否则，工作温度、开关损耗和电阻 Rds(on) 会增加。某些器件（例如二极管和 SiC 功率 MOSFET）非常昂贵，如果您不能 100% 确定电路，则不方便对其进行试验。电路的模拟非常重要，因为它允许在所有条件下进行完整的分析，同时在您的计算机后面保持安全。在本文中，我们将使用 LTspice 软件。

正确使用 SiC MOSFET 的出色驱动器

本文的仿真重点是驱动程序的性能。如果无法高速提供正确的电压，SiC 器件必然会出现故障，从而导致发热和效率低下。使用的 MOSFET 是UnitedSiC UF3C065080T3S型号，与测试方案一起包含在 TO-220 封装（见图 1）中。它具有以下特点：

• Rds（开）：0.080 欧姆；
• 最大电压 DS：650 V；
• GS 电压：-25 V 至 +25 V；
• 持续漏极电流：31 A；
• 脉冲漏极电流：65 A；
• 最大耗散：190 W；
• 最高工作温度：175℃；
• 优秀的反向恢复；
• 低“门”电荷；
• 容量低；
• ESD保护；
• 非常低的开关损耗。

图 1：UnitedSiC 的 UF3C065080T3S SiC MOSFET 和测试原理图

“门”电压测试

根据型号规格，该测试涉及器件的静态行为，固定“漏极”电压为 24 V (V1)，可变“栅极”电压 (V2) 介于 -25 V 和 +25 V 之间。负载为 1 欧姆。这种称为“直流扫描”的模拟允许分析任何类型的电量，从而预见可变和增加的电源电压。结果非常有趣，清楚地表明设备“门”的电源电压不正确会产生灾难性的结果。让我们观察图 2 中产生的电路的仿真。要检查的信号如下：

• 电压 V(gate)，下图中浅色；
• 负载电流 I(R1)，在下图中；
• 上图中 Power on Mosfet 器件消耗的功率；
• 所有信号都在图表右侧“放大”。

当“栅极”电压低于约 5.8 V 时，MOSFET 被禁用且不传导任何电流。另一方面，如果该电压大于 6.8 V，则器件关闭并传导电流。所以，若是在禁锢之中，也不会消散任何力量。它的饱和导致耗散增加（例如大约 40 W），这是一个完全正常的值。当“栅极”电压介于 5.8 V 和 6.8 V 之间时，会出现临界工作点。在这种情况下，电路处于线性状态，从功率图中可以看出，MOSFET 的耗散非常高，达到140 W。当“门”电压曲线与负载电流曲线（P = V * I）相交时，必须避免该工作点。出色的驱动器必须确保清晰的关断电压 (<5 V) 和饱和电压 (> 15 V)。

图 2：此模拟涉及在 -25V 和 +25V 之间增加的“栅极”电压。MOSFET 的行为发生显着变化

在器件导通的情况下，从负载流过“漏极”的电流非常高，约为 22 A，可通过以下公式计算：

Rds(ON) 的值也很容易计算，使用以下等式：

根据所用 SiC MOSFET 的规格，从中获得约 85.8 毫欧的值。

结论

在本文中，我们执行了一个重要的静态行为基础模拟，展示了优秀驱动器的存在对于驱动和管理 SiC 器件的重要性。驱动程序必须具有以下功能：

• 必须在ON和OFF状态提供清晰准确的电压，绝对避免在线性区运行；
• 它的驱动速度必须非常快，比 SiC MOSFET 提供的可能性要快得多。

如果您能够正确驱动 SiC 器件，您就可以获得这些最新一代组件所能提供的所有重要的速度、功率和效率优势。

审核编辑：汤梓红