如何为 SiC MOSFET 选择合适的栅极驱动器

碳化硅 (SiC) MOSFET 在功率半导体行业取得了重大进展，这要归功于与硅基开关相比的一系列优势。这些包括更快的开关、更高的效率、更高的工作电压和更高的温度，从而产生更小、更轻的设计。

这些属性导致了一系列汽车和工业应用。但是像 SiC 这样的宽带隙器件也带来了设计挑战，包括电磁干扰 (EMI)、过热和过压条件，这些可以通过选择正确的栅极驱动器来解决。

由于栅极驱动器用于驱动功率器件，因此它们是功率难题的关键部分。使用 SiC 确保优化设计的一种方法是仔细考虑栅极驱动器的选择。同时，它需要仔细研究设计的关键要求——效率、密度，当然还有成本——因为根据应用要求，总是需要权衡取舍。

尽管 SiC 具有固有的优势，但成本仍然是采用的障碍。根据功率 IC 制造商的说法，当在零件比较的基础上比较 SiC 与硅时，除非设计人员考虑总解决方案成本，否则它们将更加昂贵且难以证明其合理性。

让我们首先讨论 SiC 与硅 MOSFET 或 IGBT 的应用、优势和权衡。SiC FET 提供更低的导通电阻（由于更高的击穿电压）、更高的饱和速度以实现更快的开关，并且带隙能量增加了三倍。结果是更高的结温以改善冷却。同时，热导率提高三倍转化为更高的功率密度。

业界一致认为低压 Si MOSFET 和氮化镓在 <700-V 范围内工作。在此之上是 SiC 发挥作用的地方，在较低功率范围内有一些重叠。

SiC 主要取代 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 型应用，在 11 kW 左右更是如此。Microchip Technology 的产品线总监 Rob Weber 表示，这是 SiC 的最佳选择，它提供高压操作、低开关损耗和更高开关频率的功率级。

Weber 说，这些属性允许使用更小的滤波器和无源器件，同时减少冷却需求。“我们谈论的是与 IGBT 相比的系统级优势，这最终是尺寸、成本和重量的减小。

“例如，在 30 kHz 开关频率下，我们可以将损耗降低多达 70%，这是碳化硅在击穿场、电子饱和速度、带隙能量和导热性，”他补充道。

一个关键的工程基准是效率，它导致了改进的水平。Weber 表示，另一个 SiC 成本效益指标正在出现：相对于 IGBT 的系统级优势。

“使用碳化硅，我们可以在更高的开关频率下工作，从而使我们能够拥有围绕直接功率级的更小的外部组件，例如滤波器，它们是大型的重磁设备。” 他解释说，它们还“在更高的温度下运行或由于较低的开关损耗而在更低的温度下运行，用风冷系统代替液冷系统并缩小散热器的尺寸”。

Weber 断言，组件尺寸和重量的减小也意味着成本的降低，这意味着 SiC 提供的不仅仅是更高的效率。

然而，在零件之间的价格比较中，SiC 仍然比传统的硅基 IGBT 更昂贵。“每个制造商的 SiC 模块的成本都会更高，但是当我们查看整个系统时，SiC 系统的成本会更低，”Weber 说。

在另一个示例中，Microchip 客户在使用 SiC MOSFET 时能够将系统成本降低 6%。
一旦设计人员转向 SiC，他们还需要考虑权衡取舍。功率半导体制造商同意必须克服噪声、EMI 和过压等“次要影响”。

“当你更快地切换这些设备时，你可能会产生更多的噪声，这将转化为 EMI，”Weber 说。“此外，虽然 SiC 在更高的电压下表现出色，但它在短路条件和 [当] 电压变化时的鲁棒性也远低于 IGBT。你会遇到过压情况，这导致一些设计人员使用更高额定电压的 SiC 器件，以便他们可以更好地控制过压[和过热]。”
这是栅极驱动器的选择发挥关键作用的地方。SiC 对电源电压、快速短路保护和高dv/dt 抗扰度等特性提出了独特的要求。

选择栅极驱动器

在将 SiC 开关与基于硅的器件进行比较时，为 SiC 开关选择正确的栅极驱动器需要一种新的思维方式。需要关注的关键领域包括拓扑、电压、偏置以及监控和保护功能。

以前，在选择栅极驱动器时使用顺序方法是可以接受的，Weber 说。“在选择 SiC 之前，你会首先选择 IGBT，然后是栅极驱动器，然后是母线和电容器，”他说。“完全变了。我们必须查看我们正在构建的整个整体解决方案以及每一步的权衡，而不是使用 IGBT 的这种顺序方法。这对很多客户来说都是一种教育。”

此外，还有多种 SiC 栅极驱动器，它们在功能、集成度和价格方面各不相同，适用于简单到更复杂的设计。

德州仪器 (TI) 高压电源系统工程负责人 Lazlo Balogh 表示，拓扑、功率水平、保护和功能安全要求以及使用中的 SiC 器件决定了应用所需的驱动器类型

例如，非隔离驱动器可能需要更多额外电路，Balogh 说。

还有一些隔离驱动程序可以处理负偏差和隔离问题，但仍需要某种类型的系统监控。他补充说，这对于提供进一步集成的设备来说是正确的，例如用于汽车应用的监控和保护电路以及功能安全。

“正确部署 SiC 的清单是查看拓扑结构和必须驱动的设备类型，然后选择栅极驱动器，优化偏置，确定需要什么样的保护，然后优化布局，”巴洛格说。
阻碍采用 SiC 的障碍之一是需要以更高的开关速度进行特殊封装以消除源电感。

Balogh 说，这通常是通过开尔文源连接完成的。“源电感可能很糟糕，会导致大量振铃和额外的功率损耗，因为它会减慢开关动作。”

“这就是版图工程师成为我们最好朋友的地方，因为我们确实必须查看版图以减轻振铃并对其进行优化以实现高速切换，”Balogh 说。他补充说，这包括最大限度地减少走线电感、分离栅极和电源环路，以及通过选择正确的组件适当地绕过开关电流路径和宽频带。

Balogh 说，真正关键的是将驱动器连接到开关。他说，设计人员必须将驱动器的接地直接连接到电源开关的源极，因为杂散电感会增加开关损耗。

供应商同意可以使用标准驱动程序来控制 SiC 器件。尽管如此，设计人员必须确定权衡的幅度，这通常需要额外的电路或更大的外部设备。例如，在使用标准驱动器时减少振铃和过压的一种方法是增加栅极电阻器的尺寸。

TI 的 Balogh 表示，其他考虑因素包括保护功能、欠压锁定、更高频率的操作、更快的开关和芯片热点，所有这些都可以决定功率损耗、EMI 和尺寸。

此外，额外的电路通常比专用的 SiC 占用更多的空间。因此，高端设计通常会选择专用的 SiC 内核驱动器，这会考虑到更快的开关、过压条件以及与噪声和 EMI 相关的问题，他说。

“你总是可以使用标准的栅极驱动器，但你必须用额外的电路来补充它，这通常是一种权衡，”Balogh 说。