碳化硅(SiC)MOSFET在功率半導體行業取得重大進展，得益于其一系列優于硅基開關的優勢，包括更快的開關速度、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，這也就帶來更小、更輕的設計。這些優勢讓其在一系列汽車和工業應用中尋找到發展空間。不過，碳化硅等寬禁帶(WBG)器件也帶來了不少設計挑戰，如電磁干擾(EMI)、過熱和過壓等問題，我們可以通過選擇合適的柵極驅動器來予以解決。

柵極驅動器用于驅動功率器件，因此它是解決功率問題的關鍵組成部分。要確保碳化硅的優化設計，其中一個方法就是預先謹慎選擇柵極驅動器。同時，還需要仔細審視設計的關鍵要求，包括效率、密度，當然還有成本。因為根據應用要求，總會需要做出一些權衡折衷。

盡管碳化硅具有一些固有的優勢，但其價格卻仍然阻礙其廣泛的應用。根據電源IC制造商的說法，除非設計人員考慮解決方案的總成本，否則，如果僅在器件層面比較碳化硅與硅這兩者，那么前者無疑更加昂貴而難以證明其價值。

我們首先討論下SiC相對于硅MOSFET或IGBT有哪些應用上的不同、優勢以及權衡。SiC FET較高的擊穿電壓使其具有較低的導通電阻；其較高的飽和速度則可以實現更快的開關速度；其3倍高的帶隙能量則可以實現更高的結溫，從而改善冷卻；其3倍高的熱導率則表明其可以實現更高的功率密度(圖1)。

業界一致認為，低壓硅MOSFET和GaN適用于低于700V的電壓范圍，而SiC則更適合在高于700V的范圍內發揮作用，二者在較小的功率范圍有少許重疊。

碳化硅主要用于取代600V和3.3kW以上的硅IGBT類應用，而在大約11kW時更是如此，此時對SiC來說更像是一個甜蜜點，也即它具有高電壓工作、低開關損耗和更高開關頻率的功率級等優勢，美國微芯科技(Microchip)分立及電源管理數字柵極驅動器(AgileSwitch)產品線總監Rob Weber指出。

這些特性使采用更小的濾波器和無源元件成為可能，而且它還降低了冷卻需求。他表示：“我們談論的是相對于IGBT的系統級優勢，它最終將帶來尺寸、成本和重量的降低。”

“從損耗的角度來看，例如，在30kHz的開關頻率下，損耗最高可降低70%。這是由于碳化硅在擊穿電場、電子飽和速度、帶隙能量和熱導率方面具有不同的特性。”Weber表示。

圖1：SiC與Si和IGBT對比。(圖片來源：Microchip)

工程師關注的基準是效率，這決定了改善的程度，但對碳化硅而言，越來越被關注到的是其優于IGBT的系統級優勢，Weber表示。

“碳化硅可以在更高的開關頻率下工作，這樣，工程師就可以在最接近的功率級周圍使用更小的外部元器件，例如濾波器，也即又大又重的磁性器件。再就是，由于開關損耗較低，碳化硅可以在更高的溫度下工作或更不容易發熱；還可以用風冷系統代替液冷系統，同時縮小散熱器的尺寸。”他解釋到。

他表示，這種元器件尺寸和重量的減少，可以帶來更低的成本，也即碳化硅的優勢遠不止提高效率。

然而，就器件之間的價格比較而言，碳化硅仍然要比傳統的硅基IGBT貴。“所有制造商的碳化硅模塊成本都更高，但如果去審視整個系統的話，就會發現碳化硅系統的成本更低。”Weber指出。

在Weber分享的一個案例中，某客戶采用SiC MOSFET后系統成本降低了6%。

一旦設計人員決定改用碳化硅，那么就還需要進行一些權衡。功率半導體制造商承認，碳化硅會帶來一些“間接效應”，如噪聲、EMI和過壓等，這些問題必須予以解決。

“讓器件更快地開關，也就可能會產生更多的噪聲，這會帶來EMI問題。”Weber表示，“此外，盡管SiC在更高的電壓下表現更出色，但它在短路條件下遠不如IGBT魯棒，而且電壓會發生變化，因此會發生過壓情況，這就會導致一些設計人員采用額定電壓更高的SiC器件，以便更好地控制過壓和過熱情況。”

這就是柵極驅動器的選擇發揮重要作用的地方。碳化硅對電源電壓、快速短路保護和高dv/dt抗擾度等特性都有獨特的要求。

選擇碳化硅柵極驅動器

與硅基器件相比，在為碳化硅開關選擇合適的柵極驅動器時，需要以一種新的思維方式去考慮其電源解決方案。主要考慮因素包括拓撲、電壓、偏置以及監控和保護功能。

柵極驅動器的選擇至關重要，而在以前，可以采用順序法來選擇柵極驅動器，Weber表示。“在碳化硅出現之前，是先選擇IGBT，然后選擇柵極驅動器，再選擇母線和電容器等。”Weber解釋說，“現在則完全不同。我們必須先審視正在設計的整體解決方案并在每個步驟做出權衡，而不能采用IGBT的這種順序法。很多客戶都從中得到過教訓。”

另外，碳化硅柵極驅動器種類繁多，其特性和集成度(以及價格)也多種多樣，可以適用從簡單到復雜的各種設計。

例如，ADI公司將其柵極驅動器按基本功能、過流保護和故障檢測等保護功能以及完全可編程的可配置性進行分類。ADI的隔離式柵極驅動器采用該公司的iCoupler隔離技術，并與高速CMOS和單片變壓器技術相結合。據該公司稱，該技術可在不犧牲共模瞬變抗擾度(CMTI)性能的情況下實現超低傳播延遲。ADI還提供了一系列評估板和參考設計，為設計人員進行產品設計提供了一個很好的起點。

拓撲結構、功率水平、保護和功能安全要求以及在用的SiC器件將決定應用所需的驅動器類型，德州儀器(TI)高壓電源系統工程主管Lazlo Balogh表示。

例如，非隔離式驅動器可能需要大量額外的電路，它適用于較簡單的應用，因此并不需要將所有的東西都集成到驅動器中，他表示。

還有隔離式驅動器能夠處理負偏置和隔離問題，但仍需要在系統中進行某種監控。最后是汽車應用中所采用的進一步集成的器件，其中包含了監控和保護電路以及功能安全，他補充說。

“正確部署SiC的步驟是，首先審視拓撲結構和所需驅動的器件類型，然后選擇柵極驅動器，優化偏置，確定需要的保護功能，最后優化布局。”Balogh表示。

從驅動器的角度來看，無論是需要隔離式還是非隔離式柵極驅動器，需要多少保護功能(這與針對保護和安全的集成度有關)，還是需要多少額外電路，擁有合適的偏置，就擁有合適的電壓能力，他補充說。

還有一個阻礙SiC應用的原因是，由于其開關速度較高，SiC器件需要采用能消除源極電感的封裝，而這通常是采用開爾文源極連接來實現的(圖2)。“源極電感的后果可能非常糟糕，它會減慢開關動作，從而導致大量的振鈴和額外的功耗。”Balogh指出。

圖2：開爾文源極連接。(圖片來源：TI)

“這時候版圖設計工程師就是我們最好的朋友，因為我們真的需要審視版圖設計，從而減輕振鈴并針對高速開關進行優化。”Balogh表示。他還補充說，這其中包括最大限度地降低走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并選擇合適的元器件將開關電流通路和寬頻帶正確地旁路。

真正關鍵的是如何將驅動器連接到開關，Balogh表示。由于雜散電感會增加開關損耗，因此必須將驅動器的地直接連接到電源開關的源極，他指出。

德州儀器提供了一系列評估板/參考設計，讓客戶更接近其性能要求。Balogh表示，總會需要做出一些權衡，而TI則可幫助客戶根據自己的需求優化設計，例如是否需要達到滿載峰值效率。他建議，如果對驅動WBG有任何疑問，可參考應用筆記并聯系應用工程師。

TI提供了一系列Si和IGBT柵極驅動器，包括UCC21710、UCC21732和UCC21750。它們都是集成了保護和傳感功能的隔離式柵極驅動器(圖3)。這些器件所提供的快速檢測時間，可防止過流事件，同時確保系統安全關斷。

圖3：保護功能。(圖片來源：TI)

英飛凌科技的區域應用工程師Mladen Ivankovic表示，選擇SiC MOSFET時要問的第一個關鍵問題是，“需要對該器件提供單極驅動還是雙極驅動”。

市面上有很多又快又魯棒的驅動器，既可以驅動Si，也可以驅動SiC，但在從Si轉向SiC時，因此需要謹慎思考如何對其進行驅動，因為硅是由12V的典型電壓驅動的，Ivankovic表示。“我們是用12V導通，用0V關斷，因此驅動器驅動硅器件或超結MOSFET的正常電壓范圍為0至12V，因此任何硅器件供應商都可以提供。”他補充說。

另一方面，不同廠商的SiC器件卻有著不同的導通/關斷電壓。例如，市面上有的SiC MOSFET需要用+15V電壓來導通，用-4V電壓來關斷，有的則是需要用+20V來導通，用-2或-5V來關斷，Ivankovic表示。“這就需要一個能夠支持正負電壓的驅動器。”

但是，采用英飛凌的SiC，就只需要一個較寬的電壓范圍，他表示。“因此，不是0到12V，而是需要使用0到18V來對其進行驅動，而且可以使用與Si或SiC相同的驅動器。”他補充說。

因此，設計人員必須謹慎選擇是需要單極柵極驅動器，還是需要同時提供正負電壓才能正常對其進行驅動，Ivankovic表示。

英飛凌最近面向一系列工業應用推出了EiceDRIVER X3增強型模擬(1ED34xx)柵極驅動器IC和數字(1ED38xx)柵極驅動器IC(圖4)。這兩個系列專為采用分立和模塊封裝的IGBT、Si和SiC MOSFET而設計。1ED34xx可通過外部電阻器提供可調節的去飽和濾波時間和軟關斷電流，1ED38xx則為多個參數提供了I2C可配置性，包括可調控制和保護功能，例如短路保護、軟關斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關斷和兩電平關斷(TLTO)。

圖4：英飛凌所設計的EiceDRIVER 1EDBx275F單通道隔離式柵極驅動器IC系列，專門用于驅動Si、SiC和GaN功率開關。(圖片來源：英飛凌科技)

根據ADI高級應用工程師Eric Benedict所述，另一個柵極驅動器考慮因素是峰值電流容量性能，他在Wolfspeed的培訓課程網絡研討會上談到了這一點。“那么，為什么這是驅動開關的一個重要特性呢？在大多數情況下，它歸結為以降低開關損耗的形式實現效率的提升。為了完成開關轉換，驅動器需要向柵極提供足夠的電荷，以便使開關完全導通。使開關速度加快意味著更快地提供這些電荷，而由于電流是單位時間所流過的電荷，更快的開關速度意味著更多的柵極驅動電流。因此，峰值驅動電流將由柵極回路總電阻上的柵極電源電壓所決定。”

Benedict還提醒到，在查看數據手冊時需要注意，制造商會根據不同的測試條件報告其柵極驅動器輸出電流。“有些制造商指定的是在將輸出短路獲得極短電路脈沖期間所測得的電流，而另一些制造商則使用的是在有一定實際柵極電阻的情況下所測得的電流。因此，在比較不同器件的規格時，確實需要格外細心。”

該培訓課程中還涵蓋了一些要點，包括選擇具有足夠驅動能力的柵極驅動器，從而利用開關頻率的優勢來降低損耗；提供適當的共模瞬變抗擾度；關注版圖設計而使其針對SiC進行調整，例如最大限度地降低寄生效應；以及了解與IGBT相比，在去飽和或短路保護上有何不同。

可配置的數字柵極驅動器

許多領先的電源IC制造商都開發了獨有的SiC柵極驅動器技術和解決方案，借此來避免產生間接效應，并最大限度地發揮寬禁帶器件的技術優勢。

例如，Microchip在其AgileSwitch驅動器中采用了數字方法，其中包括一種稱為“增強型開關”的獨特技術(圖5)。該技術的一個關鍵要素是可配置的導通/關斷，它提供了一系列步驟來控制電壓水平和處于這些電壓水平的時間。這讓設計人員可以通過軟件以數字方式配置導通/關斷曲線，而無需對硬件進行更改。該技術還包括額外水平的故障監控檢測和短路響應。

Microchip還宣布了一些重大的改進：開關損耗降低達50%，電壓超調降低達80%。

“傳統的模擬方法當然適用于硅開關，上述很多間接效應在驅動緩慢的IGBT時都不是問題，但碳化硅則完全不同。”Weber表示。

數字柵極驅動技術的關鍵要素之一是可以非常快速地保護短路條件，然后以安全的方式對其做出響應，Weber指出。

圖5：數字柵極驅動器的發展。(圖片來源：Microchip)

Microchip最近推出了第二代數字柵極驅動器，其在第一代的基礎上，增加了新的控制水平(圖6)。這種可配置的柵極驅動器可用于驅動任意供應商的SiC MOSFET。

MOSFET的差異與導通電壓和關斷電壓有關，因此，即使不同公司的MOSFET可能有不同的正負電壓，也可以通過Microchip的柵極驅動器對正負電壓水平進行編程。這些都是可通過柵極驅動器配置的，Weber表示。

圖6：AgileSwitch的可配置性。(圖片來源：Microchip)

Weber表示，他們的客戶已經能夠將其開發周期和開發時間縮短多達六個月。“過去用焊錫槍或電路板返工才能做到的事情，現在用軟件就可以完成，這是完全不同的思維模式。而對那些已經開始采用它的客戶來說，他們認為這改變了局面。”

他還指出，這為客戶提供了更大的靈活性，尤其是在供應鏈面臨挑戰的時候。“當有產品供應時，公司就能夠在供應商之間進行轉移。”他補充說。

Microchip在一系列柵極驅動器板產品中采用了ASD2數字柵極驅動器IC，這些電路板被稱為柵極驅動器核心，也即帶有電源柵極驅動器，以及微處理器和一定程度的可配置性與控制能力的半橋器件。該公司還通過一系列適配器板或子卡來提供全行業兼容性，從而使同時使用Microchip和競爭對手所提供的不同類型的行業標準模塊成為了可能。

數字柵極驅動器還支持設計人員針對當今的應用對MOSFET進行優化，而不是在5至10年后優化，從而解決開關隨時間或使用而老化的問題。

“對于我們的驅動器，客戶關注和感興趣的一點是，它能夠針對當前的MOSFET進行優化。他們的想法是，如果MOSFET的性能確實隨時間推移而下降，他們就可以通過更改設置來圍繞MOSFET進行優化。這樣，就可以從當前的系統中獲得更高的效率，而不必通過為未來最壞的情況進行設計而放棄這種效率。”Weber表示。

這也可以通過模擬解決方案來完成，而且總會有很多方法能夠實現，但開發解決方案的成本、權衡和時間就不得而知了，他補充說。

采用標準驅動器

供應商們也承認，可以采用標準驅動器來控制SiC器件，但他們不得不做出一些設計折衷，而這種折衷通常需要額外的電路或更大的外部器件。例如，在使用標準驅動器時，一種減少振鈴和過壓的方法就是增加柵極電阻器的尺寸。

Balogh還指出了其他需要考慮的問題，例如保護功能、欠壓鎖定、更高頻率的工作、更快的開關速度和裸片上的熱點，這些都會對功耗、EMI和尺寸產生影響。

此外，額外的電路通常會比集成式解決方案和專用SiC占用更多的空間，這也會帶來很多負面影響。因此，高端設計應選擇專用的SiC核心驅動器，這類驅動器考慮了更快的開關速度、過壓條件以及噪聲和EMI等相關問題，他表示。

“我們總是可以使用標準的柵極驅動器，但是必須用額外的電路來對其進行補充，而這通常是一種設計權衡。”Balogh表示。

例如，對小型高功率密度設計而言，可以采用SOT23封裝的標準非隔離式柵極驅動器。非隔離式驅動器不能直接適用，但也可以做到，而且很多人都喜歡采用這種方法，Balogh談到。


審核編輯：劉清