SiC和GaN为主的第三代宽禁带半导体器件和传统Si基器件。SiC MOSFET以其低导通电阻、低开关损耗、高开关频率、高允许工作结温等优势称为工业界的"网红",但是相对于传统Si基器件,需要优化相应的外部驱动,这也是我们上文提到的"外设"适配以发挥其优异的性能。
作为新一代的半导体材料,SiC具有由于传统Si基材料的一系列优势,特别是在高频高温等方面。由于拖尾电流和关断较缓的缘故,IGBT的频率无法做到很高,就算加上软开关技术也无法大幅度提升,此时SiC MOSFET的出现,使得开关频率上有着较大的突破,展现出了完美的开关性能。而了解和优化其驱动电路(当然,这也包含一系列保护电路)是充分展现其完美性能的关键!
为了优化SiC MOSFET的驱动电路,我们需要紧密结合其相应的差异化特性,下面我们就来看看SiC MOSFET有哪些需要注意的特性:
①跨导gm (gm=ΔID/ΔVGS)
下图是某规格SiC MOSFET的I-V曲线,其实蓝色曲线是Si基MOSFET的输出曲线中的一根。
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可见,传统的Si MOSFET在起线性区有着很大的斜率,而在饱和区时却很平坦,意味着当VGS>Vth的时候都会经历一个很高的增益,也就是很大的跨到gm;而SiC MOSFET的I-V曲线我们看出,线性区和饱和区并没有明显的过渡,使得SiC MOSFET看起来更像一个可变的电阻,gmz较低。
ID=gm*(VGS-Vth)
VGS的较小变化不会引起很大的电流变化,所以SiC MOSFET被认为是低跨导器件。
为了补偿较低的增益,使电流ID发生较大的变化,同时降低导通电阻RDS,我们一般使用更高的栅极电压VGS。所以,我们常见的SiC MOSFET采用的驱动电压都是18~20V,较低的驱动电压会导致较大的损耗,工作状态不佳,容易造成热失效,这个和IGBT类似。
②导通电阻RDS(固定电压下,SiC单位面积的导通电阻比Si低)
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对于SiC MOSFET的导通电阻构成见上图,之前我们也有聊过。最主要的是沟道电阻Rch、JFET电阻RJFET和漂移层电阻Rdrift。Rch具有负温度系数(NTC),在VGS较低时占主导地位;RJFET和Rdrift具有正温度系数(PTC),在VGS较高时占主导地位。而Si基MOSFET在VGS大于Vth时一直表现为正温度系数。而正温度系数是利于并联的,所以如果在需要并联的应用场合中,特别要注意驱动电压VGS,要选得足够大,否则会呈现负温度系数,结果将会是你不愿意看到的。当然,上面聊跨导时已经告诉我们SiC MOSFET需要更大的驱动电压了。
③栅极驱动电阻Rg,Qg,Vth
选择合适的Rg对于Si基还是SiC来说都是至关重要的,太大了会减缓开关速度增加开关损耗,太小了又容易因为过高的开关速度引入较大的电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt,从而引发振荡以及串扰(如密勒效应导致的误导通等)。所以,在满足器件安全可靠的工作前提下,尽可能小的选择驱动电阻Rg。
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上图是某SiC MOSFET的Qg曲线,相对于Si MOSFET来说,SiC的米勒平台出现时的VGS较大;同时在VGS=0V时,Qg并不为0nC,必须将VGS拉低至负压(这种情况下为-5V),使SiC MOSFET的栅极完全放电。几乎所有的SiC MOSFET驱动电压的负压都不高于-5V(-8V和-10V比较常见)。
同时,必须负压还有一个很重要的因素--Vth。SiC MOSFET的阈值电压Vth,其对温度的依赖性很高,随着温度的升高而下降,Vth很容易就变得很小,如果仅用0V来关断,很容易受到干扰而误导通。
★上述是SiC MOSFET较为特别的几个地方,驱动电路的设计有下面几点建议:
一般情况下,-5V<VGS<20V的范围能够发挥SiC MOSFET的性能,那么提供驱动电压的电源最好能够满足VDD=25V,VEE=-10V,能够覆盖较广泛的型号;
VGS必须有较快的上升沿和下降沿;
需要有最小正负电压的欠压锁定(现在的驱动芯片功能份足选择性也多);
和Si基器件一样,需要有各种保护电路,过电流、短路、钳位等保护功能;
对于整个回路的布线尽可能地减小杂散电感,由于较快的开关速度,相对于Si基的要求更高,要求杂散电感尽可能小。
更多的注意事项--具体问题具体分析,结合实际应用多考量......
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