选择合适的栅极驱动器来解决碳化硅(SiC)的设计挑战

碳化硅(SiC)MOSFET在功率半导体行业取得重大进展，得益于其一系列优于硅基开关的优势，包括更快的开关速度、更高的效率、更高的工作电压和更高的温度，这也就带来更小、更轻的设计。这些优势让其在一系列汽车和工业应用中寻找到发展空间。不过，碳化硅等宽禁带(WBG)器件也带来了不少设计挑战，如电磁干扰(EMI)、过热和过压等问题，我们可以通过选择合适的栅极驱动器来予以解决。

栅极驱动器用于驱动功率器件，因此它是解决功率问题的关键组成部分。要确保碳化硅的优化设计，其中一个方法就是预先谨慎选择栅极驱动器。同时，还需要仔细审视设计的关键要求，包括效率、密度，当然还有成本。因为根据应用要求，总会需要做出一些权衡折衷。

尽管碳化硅具有一些固有的优势，但其价格却仍然阻碍其广泛的应用。根据电源IC制造商的说法，除非设计人员考虑解决方案的总成本，否则，如果仅在器件层面比较碳化硅与硅这两者，那么前者无疑更加昂贵而难以证明其价值。

我们首先讨论下SiC相对于硅MOSFET或IGBT有哪些应用上的不同、优势以及权衡。SiC FET较高的击穿电压使其具有较低的导通电阻；其较高的饱和速度则可以实现更快的开关速度；其3倍高的带隙能量则可以实现更高的结温，从而改善冷却；其3倍高的热导率则表明其可以实现更高的功率密度(图1)。

业界一致认为，低压硅MOSFET和GaN适用于低于700V的电压范围，而SiC则更适合在高于700V的范围内发挥作用，二者在较小的功率范围有少许重叠。

碳化硅主要用于取代600V和3.3kW以上的硅IGBT类应用，而在大约11kW时更是如此，此时对SiC来说更像是一个甜蜜点，也即它具有高电压工作、低开关损耗和更高开关频率的功率级等优势，美国微芯科技(Microchip)分立及电源管理数字栅极驱动器(AgileSwitch)产品线总监Rob Weber指出。

这些特性使采用更小的滤波器和无源元件成为可能，而且它还降低了冷却需求。他表示：“我们谈论的是相对于IGBT的系统级优势，它最终将带来尺寸、成本和重量的降低。”

“从损耗的角度来看，例如，在30kHz的开关频率下，损耗最高可降低70%。这是由于碳化硅在击穿电场、电子饱和速度、带隙能量和热导率方面具有不同的特性。”Weber表示。

图1：SiC与Si和IGBT对比。(图片来源：Microchip)

工程师关注的基准是效率，这决定了改善的程度，但对碳化硅而言，越来越被关注到的是其优于IGBT的系统级优势，Weber表示。

“碳化硅可以在更高的开关频率下工作，这样，工程师就可以在最接近的功率级周围使用更小的外部元器件，例如滤波器，也即又大又重的磁性器件。再就是，由于开关损耗较低，碳化硅可以在更高的温度下工作或更不容易发热；还可以用风冷系统代替液冷系统，同时缩小散热器的尺寸。”他解释到。

他表示，这种元器件尺寸和重量的减少，可以带来更低的成本，也即碳化硅的优势远不止提高效率。

然而，就器件之间的价格比较而言，碳化硅仍然要比传统的硅基IGBT贵。“所有制造商的碳化硅模块成本都更高，但如果去审视整个系统的话，就会发现碳化硅系统的成本更低。”Weber指出。

在Weber分享的一个案例中，某客户采用SiC MOSFET后系统成本降低了6%。

一旦设计人员决定改用碳化硅，那么就还需要进行一些权衡。功率半导体制造商承认，碳化硅会带来一些“间接效应”，如噪声、EMI和过压等，这些问题必须予以解决。

“让器件更快地开关，也就可能会产生更多的噪声，这会带来EMI问题。”Weber表示，“此外，尽管SiC在更高的电压下表现更出色，但它在短路条件下远不如IGBT鲁棒，而且电压会发生变化，因此会发生过压情况，这就会导致一些设计人员采用额定电压更高的SiC器件，以便更好地控制过压和过热情况。”

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

选择碳化硅栅极驱动器

与硅基器件相比，在为碳化硅开关选择合适的栅极驱动器时，需要以一种新的思维方式去考虑其电源解决方案。主要考虑因素包括拓扑、电压、偏置以及监控和保护功能。

栅极驱动器的选择至关重要，而在以前，可以采用顺序法来选择栅极驱动器，Weber表示。“在碳化硅出现之前，是先选择IGBT，然后选择栅极驱动器，再选择母线和电容器等。”Weber解释说，“现在则完全不同。我们必须先审视正在设计的整体解决方案并在每个步骤做出权衡，而不能采用IGBT的这种顺序法。很多客户都从中得到过教训。”

另外，碳化硅栅极驱动器种类繁多，其特性和集成度(以及价格)也多种多样，可以适用从简单到复杂的各种设计。

例如，ADI公司将其栅极驱动器按基本功能、过流保护和故障检测等保护功能以及完全可编程的可配置性进行分类。ADI的隔离式栅极驱动器采用该公司的iCoupler隔离技术，并与高速CMOS和单片变压器技术相结合。据该公司称，该技术可在不牺牲共模瞬变抗扰度(CMTI)性能的情况下实现超低传播延迟。ADI还提供了一系列评估板和参考设计，为设计人员进行产品设计提供了一个很好的起点。

拓扑结构、功率水平、保护和功能安全要求以及在用的SiC器件将决定应用所需的驱动器类型，德州仪器(TI)高压电源系统工程主管Lazlo Balogh表示。

例如，非隔离式驱动器可能需要大量额外的电路，它适用于较简单的应用，因此并不需要将所有的东西都集成到驱动器中，他表示。

还有隔离式驱动器能够处理负偏置和隔离问题，但仍需要在系统中进行某种监控。最后是汽车应用中所采用的进一步集成的器件，其中包含了监控和保护电路以及功能安全，他补充说。

“正确部署SiC的步骤是，首先审视拓扑结构和所需驱动的器件类型，然后选择栅极驱动器，优化偏置，确定需要的保护功能，最后优化布局。”Balogh表示。

从驱动器的角度来看，无论是需要隔离式还是非隔离式栅极驱动器，需要多少保护功能(这与针对保护和安全的集成度有关)，还是需要多少额外电路，拥有合适的偏置，就拥有合适的电压能力，他补充说。

还有一个阻碍SiC应用的原因是，由于其开关速度较高，SiC器件需要采用能消除源极电感的封装，而这通常是采用开尔文源极连接来实现的(图2)。“源极电感的后果可能非常糟糕，它会减慢开关动作，从而导致大量的振铃和额外的功耗。”Balogh指出。

图2：开尔文源极连接。(图片来源：TI)

“这时候版图设计工程师就是我们最好的朋友，因为我们真的需要审视版图设计，从而减轻振铃并针对高速开关进行优化。”Balogh表示。他还补充说，这其中包括最大限度地降低走线电感，将栅极回路与电源回路分开，并选择合适的元器件将开关电流通路和宽频带正确地旁路。

真正关键的是如何将驱动器连接到开关，Balogh表示。由于杂散电感会增加开关损耗，因此必须将驱动器的地直接连接到电源开关的源极，他指出。

德州仪器提供了一系列评估板/参考设计，让客户更接近其性能要求。Balogh表示，总会需要做出一些权衡，而TI则可帮助客户根据自己的需求优化设计，例如是否需要达到满载峰值效率。他建议，如果对驱动WBG有任何疑问，可参考应用笔记并联系应用工程师。

TI提供了一系列Si和IGBT栅极驱动器，包括UCC21710、UCC21732和UCC21750。它们都是集成了保护和传感功能的隔离式栅极驱动器(图3)。这些器件所提供的快速检测时间，可防止过流事件，同时确保系统安全关断。

图3：保护功能。(图片来源：TI)

英飞凌科技的区域应用工程师Mladen Ivankovic表示，选择SiC MOSFET时要问的第一个关键问题是，“需要对该器件提供单极驱动还是双极驱动”。

市面上有很多又快又鲁棒的驱动器，既可以驱动Si，也可以驱动SiC，但在从Si转向SiC时，因此需要谨慎思考如何对其进行驱动，因为硅是由12V的典型电压驱动的，Ivankovic表示。“我们是用12V导通，用0V关断，因此驱动器驱动硅器件或超结MOSFET的正常电压范围为0至12V，因此任何硅器件供应商都可以提供。”他补充说。

另一方面，不同厂商的SiC器件却有着不同的导通/关断电压。例如，市面上有的SiC MOSFET需要用+15V电压来导通，用-4V电压来关断，有的则是需要用+20V来导通，用-2或-5V来关断，Ivankovic表示。“这就需要一个能够支持正负电压的驱动器。”

但是，采用英飞凌的SiC，就只需要一个较宽的电压范围，他表示。“因此，不是0到12V，而是需要使用0到18V来对其进行驱动，而且可以使用与Si或SiC相同的驱动器。”他补充说。

因此，设计人员必须谨慎选择是需要单极栅极驱动器，还是需要同时提供正负电压才能正常对其进行驱动，Ivankovic表示。

英飞凌最近面向一系列工业应用推出了EiceDRIVER X3增强型模拟(1ED34xx)栅极驱动器IC和数字(1ED38xx)栅极驱动器IC(图4)。这两个系列专为采用分立和模块封装的IGBT、Si和SiC MOSFET而设计。1ED34xx可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则为多个参数提供了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、过温关断和两电平关断(TLTO)。

图4：英飞凌所设计的EiceDRIVER 1EDBx275F单通道隔离式栅极驱动器IC系列，专门用于驱动Si、SiC和GaN功率开关。(图片来源：英飞凌科技)

根据ADI高级应用工程师Eric Benedict所述，另一个栅极驱动器考虑因素是峰值电流容量性能，他在Wolfspeed的培训课程网络研讨会上谈到了这一点。“那么，为什么这是驱动开关的一个重要特性呢？在大多数情况下，它归结为以降低开关损耗的形式实现效率的提升。为了完成开关转换，驱动器需要向栅极提供足够的电荷，以便使开关完全导通。使开关速度加快意味着更快地提供这些电荷，而由于电流是单位时间所流过的电荷，更快的开关速度意味着更多的栅极驱动电流。因此，峰值驱动电流将由栅极回路总电阻上的栅极电源电压所决定。”

Benedict还提醒到，在查看数据手册时需要注意，制造商会根据不同的测试条件报告其栅极驱动器输出电流。“有些制造商指定的是在将输出短路获得极短电路脉冲期间所测得的电流，而另一些制造商则使用的是在有一定实际栅极电阻的情况下所测得的电流。因此，在比较不同器件的规格时，确实需要格外细心。”

该培训课程中还涵盖了一些要点，包括选择具有足够驱动能力的栅极驱动器，从而利用开关频率的优势来降低损耗；提供适当的共模瞬变抗扰度；关注版图设计而使其针对SiC进行调整，例如最大限度地降低寄生效应；以及了解与IGBT相比，在去饱和或短路保护上有何不同。

可配置的数字栅极驱动器

许多领先的电源IC制造商都开发了独有的SiC栅极驱动器技术和解决方案，借此来避免产生间接效应，并最大限度地发挥宽禁带器件的技术优势。

例如，Microchip在其AgileSwitch驱动器中采用了数字方法，其中包括一种称为“增强型开关”的独特技术(图5)。该技术的一个关键要素是可配置的导通/关断，它提供了一系列步骤来控制电压水平和处于这些电压水平的时间。这让设计人员可以通过软件以数字方式配置导通/关断曲线，而无需对硬件进行更改。该技术还包括额外水平的故障监控检测和短路响应。

Microchip还宣布了一些重大的改进：开关损耗降低达50%，电压超调降低达80%。

“传统的模拟方法当然适用于硅开关，上述很多间接效应在驱动缓慢的IGBT时都不是问题，但碳化硅则完全不同。”Weber表示。

数字栅极驱动技术的关键要素之一是可以非常快速地保护短路条件，然后以安全的方式对其做出响应，Weber指出。

图5：数字栅极驱动器的发展。(图片来源：Microchip)

Microchip最近推出了第二代数字栅极驱动器，其在第一代的基础上，增加了新的控制水平(图6)。这种可配置的栅极驱动器可用于驱动任意供应商的SiC MOSFET。

MOSFET的差异与导通电压和关断电压有关，因此，即使不同公司的MOSFET可能有不同的正负电压，也可以通过Microchip的栅极驱动器对正负电压水平进行编程。这些都是可通过栅极驱动器配置的，Weber表示。

图6：AgileSwitch的可配置性。(图片来源：Microchip)

Weber表示，他们的客户已经能够将其开发周期和开发时间缩短多达六个月。“过去用焊锡枪或电路板返工才能做到的事情，现在用软件就可以完成，这是完全不同的思维模式。而对那些已经开始采用它的客户来说，他们认为这改变了局面。”

他还指出，这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。“当有产品供应时，公司就能够在供应商之间进行转移。”他补充说。

Microchip在一系列栅极驱动器板产品中采用了ASD2数字栅极驱动器IC，这些电路板被称为栅极驱动器核心，也即带有电源栅极驱动器，以及微处理器和一定程度的可配置性与控制能力的半桥器件。该公司还通过一系列适配器板或子卡来提供全行业兼容性，从而使同时使用Microchip和竞争对手所提供的不同类型的行业标准模块成为了可能。

数字栅极驱动器还支持设计人员针对当今的应用对MOSFET进行优化，而不是在5至10年后优化，从而解决开关随时间或使用而老化的问题。

“对于我们的驱动器，客户关注和感兴趣的一点是，它能够针对当前的MOSFET进行优化。他们的想法是，如果MOSFET的性能确实随时间推移而下降，他们就可以通过更改设置来围绕MOSFET进行优化。这样，就可以从当前的系统中获得更高的效率，而不必通过为未来最坏的情况进行设计而放弃这种效率。”Weber表示。

这也可以通过模拟解决方案来完成，而且总会有很多方法能够实现，但开发解决方案的成本、权衡和时间就不得而知了，他补充说。

采用标准驱动器

供应商们也承认，可以采用标准驱动器来控制SiC器件，但他们不得不做出一些设计折衷，而这种折衷通常需要额外的电路或更大的外部器件。例如，在使用标准驱动器时，一种减少振铃和过压的方法就是增加栅极电阻器的尺寸。

Balogh还指出了其他需要考虑的问题，例如保护功能、欠压锁定、更高频率的工作、更快的开关速度和裸片上的热点，这些都会对功耗、EMI和尺寸产生影响。

此外，额外的电路通常会比集成式解决方案和专用SiC占用更多的空间，这也会带来很多负面影响。因此，高端设计应选择专用的SiC核心驱动器，这类驱动器考虑了更快的开关速度、过压条件以及噪声和EMI等相关问题，他表示。

“我们总是可以使用标准的栅极驱动器，但是必须用额外的电路来对其进行补充，而这通常是一种设计权衡。”Balogh表示。

例如，对小型高功率密度设计而言，可以采用SOT23封装的标准非隔离式栅极驱动器。非隔离式驱动器不能直接适用，但也可以做到，而且很多人都喜欢采用这种方法，Balogh谈到。


审核编辑：刘清