选择合适的碳化硅栅极驱动器

五月 09, 2024

利用集成负偏压来关断栅极驱动在设计电动汽车、不间断电源、工业驱动器和泵等高功率应用时，系统工程师更倾向于选择碳化硅 (SiC) MOSFET，因为与 IGBT 相比，SiC 技术具有更高的效率和功率密度。为了保持整体系统高能效并减少功率损耗，为 SiC MOSFET 搭配合适的 SiC 栅极驱动器可谓至关重要。

本文将阐述系统能效的重要性，并简要说明 SiC 栅极驱动器的选择标准，包括 SiC 功耗、SiC 导通和关断基本原理以及如何减少开关损耗。此外，我们将介绍首款集成负偏压的 3.75 kV 栅极驱动器 NCP(V)51752。

能效提升，毫厘必争

当谈到功率损耗管理时，对于数十千瓦到上兆瓦的高功率应用来说，哪怕是一丝一毫的效率提升都非常重要。例如，若 100 W 应用的能效达到 95%，则需通过散热策略处理的功耗仅有 5 W。对此，可能添加一个散热片或一个风扇就已经足够。但以相同能效运行的 350 kW 应用会产生 17.5 kW 的功耗，这就需要投入大量工程资源和成本来优化散热策略，此外还会对碳足迹产生负面影响。

减少功率损耗

SiC 的总功率损耗本质上是导通损耗与开关损耗的总和。当 SiC MOSFET 完全导通时，SiC 导通损耗主要由 I²R 决定，其中 I 是漏极电流 (I_D)，R 是 R_DSON，即 SiC MOSFET 完全导通时漏极至源极电流路径的电阻。系统工程师可以通过选择 R_DSON 较低的 SiC MOSFET、并联配置多个 SiC MOSFET（或同时使用两种方法），将导通损耗降至超低水平。

SiC 开关损耗比较复杂，会受到总栅极电荷 (Q_G(TOT))、反向恢复电荷 (Q_RR)、输入电容 (C_ISS)、栅极电阻 (R_G)、E_ON 损耗和 E_OFF 损耗等参数的影响。

总栅极电荷 Q_G(TOT)

总栅极电荷 Q_G(TOT) 表示栅极驱动器为完全导通或关断 MOSFET 而注入栅极电极的电荷量，单位为库仑。通常，Q_G(TOT) 与 R_DSON 成反比。因此，当系统工程师选择低 R_DSON 的 SiC MOSFET 来降低高功率应用中的导通损耗时，栅极驱动拉电流（导通）和灌电流（关断）的要求会相应增加。

要降低系统设计的开关损耗相当具有挑战性，因为一方面，需要尽快导通和关断以尽可能减少开关损耗；但另一方面，开关速度提高可能会引发不必要的电磁干扰 (EMI)，而且预期的关断过程中还可能出现危险的寄生导通意外，尤其是在半桥拓扑中。

导通和关断

为了操作 MOSFET 并开始导通，须将一个电压施加于栅极端子（相对于源极端子）。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。栅极驱动器通过拉电流或灌电流来导通或关断功率器件。为此，栅极驱动器需要对功率器件的栅极充电，直至达到导通电压 V_GS(ON)，或者驱动电路使栅极放电至达到关断电压 V_GS(OFF)。为了实现两个栅极电压电平之间的转换，栅极驱动器、栅极电阻和功率器件之间的环路中会产生一些功耗。

如今，低功率和中功率应用的高频转换器主要使用功率 MOSFET。不过，栅极驱动器不仅适用于 MOSFET，还非常适合门道精深的新型宽禁带器件，如 SiC MOSFET 和 GaN（氮化镓）MOSFET。当需要更高的驱动电流快速导通/关断电源开关时，SiC MOSFET 是目前性能表现较佳的器件。

寄生导通

由于 di/dt 非常高，当栅极驱动器达到最小栅源电压时，可能会出现严重的振铃。PCB 布局与封装引起的寄生电容和电感进一步加剧了这种情况，导致关断时产生电感冲击。这些电感冲击可能会无意中使得电压达到 V_GS(TH)，导致在预期关断期间意外导通，从而引发灾难性后果。这里以半桥应用为例。当低边开关关断，而高边开关即将导通时，若电感冲击导致电压达到 V_GS(TH)，低边开关便可能会意外导通，从而造成高边和低边开关同时导通，产生击穿电流。这可能会造成高压轨接地直接短路，从而导致 MOSFET 损坏。解决该问题有一个非常有效的方法，就是在关断时将电压摆幅降至 0V 以下（至 -3V 甚至 -5V），从而给出一些余量或裕度，以防意外电感冲击让电压达到 V_GS(TH)。

开关损耗

图 2 中的图表（来源：AND90204/D）给出了负偏压关断的第二个优点，即减少了 E_OFF 开关损耗。图中，x 轴表示从 0V 到 -5V 的负偏压关断电压，y 轴表示开关损耗 (µJ)。事实上，在驱动安森美 (onsemi) 专为高开关频率应用而设计的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 时，通过将关断电压从 0V 降至 -3V，开关损耗最多可减少 100 uJ。E_OFF 从 0V 时的 350 µJ 降至 -3V 负偏压关断时的 250 µJ，由此令 E_OFF 损耗减少 25%。请记住，每一毫厘进步都意义非凡！