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学技术 | 碳化硅 SIC MOSFET 如何降低功率损耗

大大通 2022-11-30 15:28 次阅读

SIC MOSFET 作为第三代半导体器件,以其卓越的高频高压高结温低阻特性,已经越来越多的应用于功率变换电路。 那么,如何用最有效的方式驱动碳化硅 MOSFET,发挥SIC MOSFET的优势,尽可能降低的传导和开关损耗,本文以给出了使用 ST 碳化硅 MOSFET 的主要设计原则,以得到最佳性能。

一,如何减少传导损耗:

碳化硅 MOSFET 比超结 MOSFET 要求更高的G级电压,建议使用 +18 V以减少 RDS(on),从而减少传导损耗。但是没有必要使用超过 20 V 的驱动电压,ST 第三代SIC MOSFET VGS 可以低至 185V,在 20 A, 25 ℃的情况下 , 会增加 约20%左右的 RDS (on)。 使用负压可以更快速的关断,从而使开关损耗最小化。

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二,如何减少开关损耗:

影响开关损耗的主要因素有:

1,关断能量 (Eoff)------取决于 Rg 和 VGS-OFF (负的栅极电压)

2,开通能量 (Eon)------取决于 Rg

3,米勒效应---------------影响 Eon 和 Err (反向恢复损耗)

4,栅极驱动电流

关断能量 (Eoff)------取决于 Rg 和 负的栅极电压,和SI MOSSET相似,碳化硅 MOSFET 没有拖尾效应,所以关断损耗 (Eoff)取决于VDS电压上升时间和 ID电流下降时间内的重叠区间,为了减少Eoff ,需要尽快从栅极吸取更多的电荷,可以采用减小驱动电阻Rg 和 增加栅极负电压 ,负压建议-3V左右。

下图描述了Rg 和Eoff 的关系:

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当然,Rg 的大小也会影响Vds 电压过充,栅极电阻在 1Ω 至 10Ω 范围内变化时, VDS 可相差50 伏,因此,需要优化PCB上的寄生电感,即使使用较小的驱动电阻时,可有足够的电压裕量。


使用负电压来关断 MOSFET 有助于进一步减少关断损耗,可以增加栅极电阻Rg上的压降,从栅极更快的抽取电荷。对于常规的栅极电阻值,截止电压从 0 V 下降到 -5 V,Eoff 能降低 35%到 40%。

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开通能量 (Eon)------取决于 Rg: 开通能量也可以通过降低栅极驱动电阻来降低,当栅极电阻在1 至 10Ω 范围内变化时,开通损耗几乎降低了 40%。但是,较低的能耗必须要考虑EMI,因为 di / dt 会因低 Rg 值降低而显著增加,从而使EMC 变差。

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米勒效应对 开通损耗 Eon 和反向恢复损耗 Err 的影响:

当半桥下管开通时 , 电压变化 dVDS/dt 发生在上管MOSFET。这就形成了对上管MOSFET 的寄生电容 CGD 的充电电流,此电流通过米勒电容,栅极电阻和 CGS (电容 CGD和 CGS 形成一个电容分压电路)。如果在栅极电阻上的电压降超过了上侧 MOSFET 的开启阈值电压,则会产生被称为 “ 米勒导通 ” 或 “ 米勒效应 ” 的寄生导通,这会影响整个桥臂的开关损耗。相应的,当上管 MOSFET 开通时,电流流过低侧开关的米勒电容时 , 寄生导通也可能会发生。

反向恢复损耗 Err 是碳化硅 MOSFET 固有的体二极管导通后消耗的开关能量。在不存在米勒效应的情况下,由于优异的碳化硅反向恢复特性 , 它是可以忽略不计。然而,在米勒导通存在时,反向恢复能量显著影响着整个开关损耗。

使用ST 带有米勒钳位功能的驱动IC可以有效减小米勒效应。

对栅极驱动电流的要求:

开通或关闭 MOSFET 所需的栅极电流可以通过栅级电荷来计算,栅级电荷可以从datasheet直接读取。

在任何开关周期 , 驱动器必须提供足够的驱动电流,当驱动器的拉电流和灌电流能力不足时 , 将影响碳化硅 MOSFET 的开关性能。推荐使用ST GAP系列驱动IC。

综上所述,使用ST 专用的SIC MOSFET 驱动IC,配合合适的Rg 电阻值,可以得到优化的 开通/关断/导通 损耗。

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