【導(dǎo)讀】隨著碳化硅（SiC）功率器件在新能源、工業(yè)控制等高壓高頻場(chǎng)景中加速普及，其性能潛力能否充分發(fā)揮，高度依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電路的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與匹配。為此，本文提供一份針對(duì)SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器匹配核心指南，系統(tǒng)解析如何在各類高功率主流應(yīng)用中，科學(xué)選型與設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，有效管控開關(guān)過程，從而顯著降低導(dǎo)通與開關(guān)損耗，最大化提升系統(tǒng)的電壓、電流效率與整體可靠性。
隨著碳化硅（SiC）功率器件在新能源、工業(yè)控制等高壓高頻場(chǎng)景中加速普及，其性能潛力能否充分發(fā)揮，高度依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電路的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與匹配。為此，本文提供一份針對(duì)SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器匹配核心指南，系統(tǒng)解析如何在各類高功率主流應(yīng)用中，科學(xué)選型與設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，有效管控開關(guān)過程，從而顯著降低導(dǎo)通與開關(guān)損耗，最大化提升系統(tǒng)的電壓、電流效率與整體可靠性。
電源應(yīng)用和拓?fù)?/p>
這些主流應(yīng)用的功率范圍從 ~10kW 到 ~5MW 不等。 它們高度依賴電源開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行。
? 光伏
? 電動(dòng)汽車 (EV) 充電
? HEV/EV 主驅(qū)逆變器
? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
? HEV/EV DC -DC
? 車載充電器
這里是一些常見的應(yīng)用和框圖元素。 它們都使用半橋?qū)⒔涣麟娸斔偷诫娋W(wǎng)。
?要點(diǎn)總結(jié)：選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于從所選開關(guān)獲得良好性能至關(guān)重要。匹配合適的柵極驅(qū)動(dòng)器有助于確保：
? 開關(guān)高效
? 導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗低
? 通過保護(hù)功能確保安全
? 最小化 EMI
? 兼容汽車和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
電源開關(guān)技術(shù)對(duì)比應(yīng)用
下圖顯示了各種高功率主流應(yīng)用優(yōu)先考慮使用的開關(guān)。紅色箭頭顯示， 許多功率超過 ~10kW 的應(yīng)用正在從 IGBT 轉(zhuǎn)向更快的碳化硅 (SiC) 開關(guān)。 更快速的開關(guān)可帶來(lái)更高的功率密度。
常見應(yīng)用：
? 功率因數(shù)校正 (PFC)
? 同步整流控制 (SRC)
? 車載充電器 (OBC)
? 開關(guān)模式電源 (SMPS)
?要點(diǎn)總結(jié)：碳化硅 (SiC) 和 GaN 技術(shù)是大多數(shù)主流高功率應(yīng)用的優(yōu)選開關(guān)解決方案。
效率：能效提升，毫厘必爭(zhēng)
對(duì)于傳統(tǒng)的小功率產(chǎn)品 (~100 W)， 95% 的效率是可以接受的。對(duì)于使用數(shù)百千瓦或兆瓦的高功率應(yīng)用而言 ， 管理功耗是一項(xiàng)更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作， 因?yàn)樾实拿壳Х种欢己苤匾?/p>
下圖顯示， 總功率損耗是導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之和。導(dǎo)通損耗取決于歐姆定律或 I2R， 其中 R = MOSFET 完全導(dǎo)通時(shí)的漏極-源極電阻(RDSON) ， I = 流過 MOSFET 的漏極電流。
開關(guān)損耗更為復(fù)雜， 包括:
? 柵極電荷 (QG) 、 總柵極電荷 (QG(TOT))
? 反向恢復(fù)電荷 (QRR)
? 輸入電容 (CISS)
? 柵極電阻 (RG)
? EON和 EOFF
?要點(diǎn)總結(jié)：柵極驅(qū)動(dòng)器的電壓擺幅和偏置將直接影響系統(tǒng)效率 。 在高功率應(yīng)用中 ， 效率以千分之一來(lái)衡量 ， 因此控制導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗非常重要。
開關(guān)類型：柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇
很多高功率主流應(yīng)用都需要 MCU 來(lái)控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。 由于工藝節(jié)點(diǎn)較小， 當(dāng)代 MCU 的 I/O 總線限制為 1.8V 或 3.3V。 它們需要柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供足夠的電壓， 從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。
每種開關(guān)類型對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓有不同的要求：
? 硅開關(guān)通常需要 0 到 10 V 的 10 V 擺幅。
? IGBT 開關(guān)通常需要 0V 到 15 V 的 15 V 擺幅
? SiC 開關(guān)通常需要 -3V 到 18 V 的 21 V 擺幅。
這是一階近似。 請(qǐng)務(wù)必檢查開關(guān)數(shù)據(jù)表 ， 了解開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的確切電壓要求 。
?要點(diǎn)總結(jié)：MCU 需要柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供足夠的電壓， 從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。 不同類型的開關(guān)有不同的電壓要求。
驅(qū)動(dòng) EliteSiC
Elite SiC 柵極驅(qū)動(dòng)擺幅效率：
? 15 V 擺幅 (0V/15 V)， 這是硅開關(guān)的典型值， 可提供令人滿意的效率。
? 18 V 擺幅（ 0V/18 V） ， 這是 IGBT 開關(guān)的典型值， 效率更高。 與 15V 擺幅相比， 導(dǎo)通損耗降低 25% ， EON損耗降低 25% ， EOFF 損耗降低 3% 。
? 21 V 擺幅 (~ 3V/18 V),這是 SiC 開關(guān)的典型值， 效率最高。 與 18V 擺幅相比， EON 損耗降低 3% ， EOFF 損耗降低 25%。
?要點(diǎn)總結(jié)：EliteSiC 開關(guān)可與使用不同電壓擺幅的柵極驅(qū)動(dòng)器配合， 實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
負(fù)偏壓和 E OFF 開關(guān)損耗
本部分詳細(xì)介紹了使用安森美 (onsemi)EliteSiC Gen 2 1200 V M3S 系列 22mΩ SiC MOSFET 時(shí)， 關(guān)斷期間的效率改進(jìn)情況。
下圖展示了關(guān)斷期間的負(fù)電壓偏置如何提高效率。 負(fù)柵極偏置電壓位于 x 軸， 開關(guān)損耗（ 單位： 微焦耳） 位于 y 軸。 通過關(guān)斷至 -3V 而不是 0V， 可以節(jié)省大約100μJ的 EOFF損耗。
負(fù)電壓偏置可防止開關(guān)在關(guān)斷時(shí)意外導(dǎo)通 。 關(guān)斷期間較高的柵極驅(qū)動(dòng)電流可能與MOSFET 電容、 封裝和 PCB 走線電感相互作用， 導(dǎo)致關(guān)斷期間出現(xiàn)過多的振鈴現(xiàn)象。 這可能會(huì)意外觸發(fā)柵極 -源極電壓 (VGS) 閾值， 從而導(dǎo)致在關(guān)斷期間 SiC MOSFET 短暫導(dǎo)通。 如果發(fā)生振鈴， 則關(guān)斷至 -3V 可提供額外的 3V 裕量， 以避免觸發(fā) VGS閾值。
?要點(diǎn)總結(jié)：負(fù)電壓偏置通過防止開關(guān)在關(guān)斷期間導(dǎo)通來(lái)提高效率。
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