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实现最佳效率和可靠性的 SiC MOSFET 栅极驱动器设计

Peter Dallimore
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要从碳化硅功率晶体管中获得最佳效果,开关频率需要比通常用于硅基替代品的频率最多高五倍,栅极电压偏移需要最多高两倍。设计合适的栅极驱动器需要谨慎留意瞬态效应和寄生电容。

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碳化硅

碳化硅功率 MOSFET 正朝着与传统硅 MOSFET 或 IGBT 的价格持平的方向发展。它们的主要优点是更低的 RDS(ON)、降低的开关损耗、可与 IGBT 媲美的击穿电压以及更高的耐热能力。这使得功率转换系统(如开关模式电源或逆变器)的设计者有更大的自由度来提高能效、指定更小的组件并简化热管理,以便在不牺牲可靠性的情况下尽可能减小尺寸和降低工程成本。

仔细留意栅极驱动器的设计,以确保接通状态下和开关转换期间达到最佳性能,这对于最大限度地发挥 SiC MOSFET 的这些固有优势非常重要。

SiC 成功的秘诀带来了开关挑战

与传统硅器件相比,SiC MOSFET 的高击穿电压是 SiC 更宽带隙的结果。由于电子从价带移动到导带需要大约高三倍的能量,因此这最终允许 SiC MOSFET 承受的击穿场强大约是同等硅器件的 10 倍。从相反的角度来看,对于给定的额定电压,通道厚度可以大大减小,从而降低最小 RDS(ON)。

然而,与硅器件相比,SiC MOSFET 在饱和方面的表现不同。线性区域和饱和区域之间没有明确定义的过渡:尽管当 VGS 超过阈值电压时,硅 MOSFET 或多或少地完全开通,导致器件表现得像非理想电流源那样,但 SiC MOSFET 通常具有更低的跨导 (gm),其表现得更像可变电阻那样。结果是,随着栅极电压增加到最大允许极限 VGSmax,RDS(ON) 将继续降低。因此,需要更高的开通栅极电压来完全实现 SiC MOSFET 的出色 RDS(ON)。由于 VGSmax 约为 18-25 V(取决于器件),驱动器必须能够应用 15 V 到 20/22 V 范围的 VGS。

就开关行为而言,SiC MOSFET 作为多数载流子器件,本身没有关断尾电流。这不同于硅基 IGBT,后者利用少数载流子注入来调节导电性,从而获得优异的导电特性;但另一方面,当少数载流子(空穴)重组时,它在关断时呈现尾电流。重组时间限制了最大可能的开关频率,并且在 IGBT 两端电压达到最大值时同时存在的尾电流增加了开关损耗。没有尾电流的 SiC MOSFET 可以在较高的开关频率下工作,而不会遭受高能耗,同时器件击穿电压可以与 IGBT 的击穿电压相媲美。实际上,SiC 器件可以支持比硅基 IGBT 高 2 到 5 倍的开关频率[1],这允许使用更小的无源元件。

SiC MOSFET 的开关要求对驱动电路提出了额外要求。驱动器不仅必须产生更高的 VGS 来硬启动器件,从而使 RDS(ON) 最小化,还需要具有每纳秒数伏的快速输出转换速率(高电流阱/电流源能力)来维持高 VGS,同时为栅极电路电容快速充放电。快速边沿和快速电荷移动给设计者带来了危险,例如出现超调和振铃,以及会导致 MOSFET 寄生开关可能出现严重的有害电压瞬变。

开通

为了快速转换到大约 15-20 V 的 VGS 以便开通 MOSFET,驱动器必须提供高电流来为栅极电容快速充电,并在大约 10 ns 内完成开通过程。该电流可以主要由栅极驱动器中的大容量电容器提供,并流经驱动器的内部电阻以及与 MOSFET 栅极电路相关的电阻。一些 SiC MOSFET 的内部栅极电阻要比传统硅器件的电阻高一个数量级,这可结合栅极电容产生较大的 RC 时间常量,因此需要高电流来快速开关器件。图 1 显示了开通阶段的电流流动 [2]。

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1. 需要较大的驱动器源电流来为栅极电容快速充电。来源:onsemi TND6237/D [2]

为了简化开通布置,较低的最大 VGS (VGSmax) 是理想的器件参数。这使得相对简单的驱动电路能够开通器件,并实现较低的 RDS(ON),同时在需要器件保持关断时,也不会发生不必要的开通。

 

关断

关断时,没有尾电流意味着关断能量 (Eoff) 仅在漏极电流下降和 VDS 上升之间的短暂重叠期间耗散。尽可能减少这种重叠对于实现尽可能最低的 Eoff 至关重要,并且要求尽快从 MOSFET 栅极提取电荷。

在单开关拓扑中,例如升压、降压或回扫转换器,控制栅极尽可能快地关断器件显得相对简单。如果施加负偏压的 VGS,且外部栅极电阻仅为 1 Ω - 2 Ω 时,可促进电荷快速流出栅极,从而快速关断器件。

施加的栅极-源电压还负责在下一个开通周期前保持 MOSFET 处于关断状态。考虑到 SiC MOSFET 具有相对较低的栅极阈值电压 (VTH),如果栅极驱动器没有被设计成产生负栅极电压,那么少量的接地反弹可能会导致 VGS 的正偏压超过 VTH。因此,除了协助快速关断之外,VGS 上的负偏压更能防止不必要的开通。

在具有高侧和低侧 MOSFET 的转换器中,例如 LLC、H 桥或全桥拓扑,高侧或低侧器件的开关动作会在其他器件上产生 dVDS/dt 瞬变。这在任何类型的 MOSFET 中都是一种常见的效应,它会导致栅极电流流过器件的寄生 CGD 电容,从而产生不必要的开通。在这种情形下,负偏压 VGS 也会提供额外的保护,防止出现寄生开通而损害转换器效率。  

驱动器应具有低输出阻抗,以免限制可被驱使到 MOSFET 输入电容 Ciss 中的电流。低阻抗输出通过调整外部栅极电路中的电阻 RG,为设计者提供更大的灵活性来控制 dVDS/dt 瞬变,从而避免不必要的开关。

对于开通,RG 应该是只有几欧姆的低值,以便为 Ciss 快速充电。另一方面,相对于关断的其他 MOSFET 的外部栅极电阻,过低的 RG 会使器件开通,从而导致不必要的开关损耗。一个器件的 RGON 应该大于另一个器件的 RGOFF。

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2. 采用单独的开通和关断栅极电阻值,以避免不必要的开通。来源:Infineon AN2017-04 [3]

可以为每个 MOSFET 实施单独的 RGON 和 RGOFF 电路。图 2 显示了如何使用 Infineon EiceDRIVER™ 系列的两种类型的驱动器来实现这一点 [3]。左侧的 1EDI-C 驱动器具有单独的电流源/电流阱输出,而右侧的示意图显示了 1ED-F2 系列的驱动器,该驱动器具有单路输出以及负关断电压能力。

在关于微调 SiC MOSFET 栅极驱动器的应用说明中 [1],STMicroelectronics 建议使 RGON 至少为 RGOFF 的 1.5 倍,电阻值分别约为 4.7 Ω 和 2.2 Ω。

其他适用驱动器的特点

关闭延迟匹配

在开关转换期间适当管理高侧和低侧器件之间的相互作用会带来额外的挑战,例如确保足够的空载时间来防止两个器件同时开通,从而防止击穿电流,该电流对于 SiC MOSFET 和传统硅器件一样危险。SiC 转换器的较高开关频率要求非常短的空载时间。这又要求高侧和低侧栅极驱动器之间以及高侧和低侧 MOSFET 自身之间的传播延迟紧密匹配。在此方面,传播延迟比上升和下降时间更重要。

可以设计一个使用分立电路的驱动器,能够施加合适的开通和关断电压,并且能够吸收和供应高电流以通过较低的开通和关断栅极电阻为栅极电路快速充放电。然而,其他所需功能(如去饱和保护)设计起来要更复杂。

快速去饱和保护

SiC MOSFET 可能比硅基器件更难防止过电流危害。例如,当 IGBT 正常导通时,会在一个明确定义的饱和区域中工作,并且在发生过电流时被驱离饱和区域进入到线性区域中。其特征是集电极-发射极电压 (Vce) 迅速增加,这种现象的检测相对容易,从而由触发器启动过电流保护。

相比之下,SiC MOSFET 在线性区域中工作,在此区域中,即使 ID 上升,VDS 变化也较慢。因此,在 VDS 发生可测量的变化之前,过电流状态可能会持续几个开关周期,这足以导致器件损坏。出于这个原因,设计一个快速动作并且还能防止虚假触发的去饱和检测电路也很困难,且由于快速开关速度在开通转换过程中会产生额外的噪声而变得更加复杂。包含快速去饱和检测电路的栅极驱动器 IC,如 Infineon EiceDRIVER™ 1ED-F2 系列或 ON Semiconductor NCP51705,不仅可以克服这个障碍,还可以提供合适的栅极电压、开通保护机制(如有源米勒钳位)和其他功能(如欠电压锁定和滤波),足以增强抗噪性和器件保护。

有源米勒钳位

通常需要有源钳位来防止功率 MOSFET 出现不必要的 dVDS/dt 开通。一些栅极驱动器提供直接连接到 MOSFET 栅极的钳位引脚。在内部,引脚连接到钳位开关,钳位开关连接到驱动电路中的最低电位。关断 MOSFET 时,当栅极电压下降到某个水平(约 2 V)以下时,钳位开关会被激活,以确保 MOSFET 在所有接地反弹事件或 dVDS/dt 瞬变过程中保持关断。图 3 显示了米勒钳位电路是如何在 STMicroelectronics STGAP1S 驱动器中实现的 [3]。

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3. 在关断后有源米勒钳位将栅极钳制到低电压。来源:STMicroelectronics AN4671 [1]

欠电压锁定

当系统电源轨通电时,欠电压锁定 (UVLO) 会在启动时暂时禁用驱动器输出,以保护 FET。UVLO 的合适阈值电压取决于所选的器件。为了适应这种情况,onsemi NCP51705 等驱动器允许使用外部电阻器设置阈值。

最佳电路布局

使寄生效应(如迹线电感和电阻)最小化对于确保一致的开关性能也至关重要。使用栅极驱动器芯片可以避免许多这些挑战,并将正确的电路布局简化为确保驱动器尽可能靠近 MOSFET 栅极布置的简单问题。

 

结论

在高开关速度下控制 SiC MOSFET 需要谨慎管理栅极电流,理想情况下,开通时的不对称栅极驱动电压 (VGS) 最高为 15 V 至 20 V,关断时为 -4 V 至 -5 V。0 V 的 VGS 在单开关拓扑中可能是可接受的,以减少产生关断负电压的额外复杂性。

在任何情况下,防止由 dVDS/dt 瞬变或意外栅极电流导致的寄生开通是驱动器设计时的最重要方面之一。可以考虑多种技术,包括通过选择合适的器件来优化 MOSFET 栅极-源阈值电压,施加负关断电压,管理高侧/低侧开通/关断栅极电阻器之间的关系,或者将栅极钳制到低电压以主动保持 MOSFET 关断。

目前市场上推出了针对 SiC 应用优化的栅极驱动器 IC。它们不仅支持各种防止不必要关断的方法,还包含重要的安全功能(如快速去饱和保护),这些功能很难用分立组件来设计。

参考资料:

[1] – STMicroelectronics AN4671. How to fine tune your SiC MOSFET gate driver to minimize losses.

[2] – onsemi TND6237/D, September 2017. SiC MOSFETs: Gate Drive Optimization.

[3] – Infineon AN2017-04

Peter Dallimore 还没写个人简介...

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