EliteSiC栅极驱动器匹配全指南：关键设计要点解析

本指南旨在针对各类高功率主流应用，提供为 SiC MOSFET匹配栅极驱动器的专业指导，同时探索减少导通损耗与功率损耗的有效方法，以最大限度提升SiC器件在导通和关断过程中的电压与电流效率。

电源应用和拓扑

这些主流应用的功率范围从 ~10kW 到 ~5MW 不等。 它们高度依赖电源开关和栅极驱动器来实现高效可靠的运行。

► 光伏

► 电动汽车 (EV) 充电

► HEV/EV 主驱逆变器

► 电机驱动

► HEV/EV DC -DC

► 车载充电器

这里是一些常见的应用和框图元素。 它们都使用半桥将交流电输送到电网。

⭐要点总结：选择正确的栅极驱动器对于从所选开关获得良好性能至关重要。匹配合适的栅极驱动器有助于确保：

► 开关高效

► 导通损耗和开关损耗低

► 通过保护功能确保安全

► 最小化 EMI

► 兼容汽车和工业标准

电源开关技术对比应用

下图显示了各种高功率主流应用优先考虑使用的开关。红色箭头显示， 许多功率超过 ~10kW 的应用正在从 IGBT 转向更快的碳化硅 (SiC) 开关。 更快速的开关可带来更高的功率密度。

常见应用：

► 功率因数校正 (PFC)

► 同步整流控制 (SRC)

► 车载充电器 (OBC)

► 开关模式电源 (SMPS)

⭐要点总结：碳化硅 (SiC) 和 GaN 技术是大多数主流高功率应用的优选开关解决方案。

效率：能效提升，毫厘必争

对于传统的小功率产品 (~100 W)， 95% 的效率是可以接受的。对于使用数百千瓦或兆瓦的高功率应用而言 ， 管理功耗是一项更为复杂的设计工作， 因为效率的每千分之一都很重要。

下图显示， 总功率损耗是导通损耗与开关损耗之和。导通损耗取决于欧姆定律或 I2R， 其中 R = MOSFET 完全导通时的漏极-源极电阻(RDSON) ， I = 流过 MOSFET 的漏极电流。

开关损耗更为复杂， 包括:

► 栅极电荷 (QG) 、 总栅极电荷 (QG(TOT))

► 反向恢复电荷 (QRR)

► 输入电容 (CISS)

► 栅极电阻 (RG)

► EON和 EOFF

⭐要点总结：栅极驱动器的电压摆幅和偏置将直接影响系统效率 。 在高功率应用中 ， 效率以千分之一来衡量 ， 因此控制导通损耗和开关损耗非常重要。

开关类型：栅极驱动器的选择

很多高功率主流应用都需要 MCU 来控制开关的导通和关断。 由于工艺节点较小， 当代 MCU 的 I/O 总线限制为 1.8V 或 3.3V。 它们需要栅极驱动器来提供足够的电压， 从而实现开关的导通和关断。

每种开关类型对栅极驱动电压有不同的要求：

► 硅开关通常需要 0 到 10 V 的 10 V 摆幅。

► IGBT 开关通常需要 0V 到 15 V 的 15 V 摆幅

► SiC 开关通常需要 -3V 到 18 V 的 21 V 摆幅。

这是一阶近似。 请务必检查开关数据表 ， 了解开关导通和关断的确切电压要求 。

⭐要点总结：MCU 需要栅极驱动器来提供足够的电压， 从而实现开关的导通和关断。 不同类型的开关有不同的电压要求。

驱动 EliteSiC

Elite SiC 栅极驱动摆幅效率：

► 15 V 摆幅 (0V/15 V)， 这是硅开关的典型值， 可提供令人满意的效率。

► 18 V 摆幅( 0V/18 V) ， 这是 IGBT 开关的典型值， 效率更高。 与 15V 摆幅相比， 导通损耗降低 25% ， EON损耗降低 25% ， EOFF 损耗降低 3% 。

► 21 V 摆幅 (~ 3V/18 V),这是 SiC 开关的典型值， 效率最高。 与 18V 摆幅相比， EON 损耗降低 3% ， EOFF 损耗降低 25%。

⭐要点总结：EliteSiC 开关可与使用不同电压摆幅的栅极驱动器配合， 实现高效运行。

负偏压和 E OFF 开关损耗

本部分详细介绍了使用安森美 (onsemi)EliteSiC Gen 2 1200 V M3S 系列 22mΩ SiC MOSFET 时， 关断期间的效率改进情况。

下图展示了关断期间的负电压偏置如何提高效率。 负栅极偏置电压位于 x 轴， 开关损耗( 单位： 微焦耳) 位于 y 轴。 通过关断至 -3V 而不是 0V， 可以节省大约100μJ的 EOFF损耗。

负电压偏置可防止开关在关断时意外导通 。 关断期间较高的栅极驱动电流可能与MOSFET 电容、 封装和 PCB 走线电感相互作用， 导致关断期间出现过多的振铃现象。 这可能会意外触发栅极 -源极电压 (VGS) 阈值， 从而导致在关断期间 SiC MOSFET 短暂导通。 如果发生振铃， 则关断至 -3V 可提供额外的 3V 裕量， 以避免触发 VGS阈值。

⭐要点总结：负电压偏置通过防止开关在关断期间导通来提高效率。