SiC MOSFET栅极驱动电路的优化方案

第第页SiCMOSFET栅极驱动电路的优化方案来源：（安森美）

在（高压）（开关电源）应用中，相较传统的硅（MOSFET）和（IGBT），碳化硅（以下简称“SiC”）MOSFET有明显的优势。使用硅MOSFET可以实现高频（数百千赫兹）开关，但它们不能用于非常高的电压（>1000V）。而IGBT虽然可以在高压下使用，但其"拖尾（电流）"和缓慢的关断使其仅限于低频开关应用。SiCMOSFET则两全其美，可实现在高压下的高频开关。然而，SiCMOSFET的独特器件特性意味着它们对（栅极驱动）电路有特殊的要求。了解这些特性后，设计人员就可以选择能够提高器件可靠性和整体开关性能的栅极驱动器。在这篇文章中，我们讨论了SiCMOSFET器件的特点以及它们对栅极驱动电路的要求，然后介绍了一种能够解决这些问题和其它系统级考虑因素的（IC）方案。

一

SiC

MOSFET特性

与硅器件相比，SiCMOSFET的跨导（增益）更低，内部栅极（电阻）更高，其栅极导通阈值可能低于2V。因此，在关断状态下，必须向SiCMOSFET施加负栅源电压（通常为-5V）。SiC器件的栅源电压通常要求在18V~20V之间，以降低导通状态下的导通电阻（RDS）。SiCMOSFET工作在低VGS下可能会导致热应力或由于高RDS而可能导致故障。与低增益相关的其他影响会直接影响几个重要的动态开关特性，在设计适当的栅极驱动电路时必须考虑这些影响，包括导通电阻、栅极电荷（米勒平台）和过电流（DESAT）保护。

二

导通电阻

在低VGS时，一些SiC器件的导通电阻与结温特性之间的关系曲线看起来是抛物线*（由于内部器件特性的组合）。(*这适用于安森美M1和M2SiCMOSFET。)当VGS=14V时，RDS似乎具有负温度系数(NTC)特性，即电阻随温度升高而降低。SiCMOSFET的这一独特特征直接归因于其低增益，这意味着如果两个或更多的SiCMOSFET并联工作在低VGS(负温度系数)下，可能会导致灾难性损坏。因此，只有当VGS足以确保可靠的正温度系数工作时（即VGS>18V），才建议将SiCMOSFET并联工作。

图1：M1或M2SiCMOSFET的导通电阻与结温之间的关系曲线

新一代M3SiC在所有VGS和所有温度范围都显示正温度系数

图2：M3SiCMOSFET的导通电阻与结温之间的关系曲线

三

栅极电荷

向SiCMOSFET施加栅源电压(VGS)时，电荷被传输以尽快使VGS从VGS(MIN)(VEE)和VGS(MAX)(VDD)升高。由于器件的内部（电容）是非线性的，因此可以使用VGS与栅极电荷(QG)的关系曲线来确定在给定的VGS下必须传输多少电荷。SiCMOSFET的这种"米勒平台"发生在较高的VGS上，而且不像硅MOSFET那样平坦。不平坦的米勒平台意味着在相应的电荷范围内，VGS不是不变的，这也是由于器件低增益导致的。同样值得注意的是，QG=0nC(关断SiCMOSFET所需的电荷量)不会发生在VGS=0V时，因此VGS必须为负(本例中为-5V)，以使栅极完全放电。

由于我们想测量导通或关断SiCMOSFET所需的电荷量，我们的曲线只绘制了Qg的增量（或Qg的累积或Qg的变化）。这个数值也叫Qg。这可能会引起混淆。我们需要将这张图解读为需要的能量，而不纯粹是存储在栅源（电容器）中的能量。

图3：SiCMOSFET栅源电压与栅极电荷的关系

使用负栅极驱动阻断电压主要是为了减少关断状态下的漏电流。这也是由于跨导增益低造成的。使用负的阻断电压还可以减少开关损耗，主要是在关断期间的开关损耗。

因此，几乎对于所有的SiCMOSFET，都建议在关断状态下使用的最小VGS为-5V

图4：SiCMOSFET导通序列的4个阶段

六栅极驱动电路的设计要求

为了补偿器件低增益，同时实现高效、高速的开关，对SiC栅极驱动电路有以下关键要求：

对于大多数SiCMOSFET，驱动电压在-5V>VGS>20V之间时性能最佳。栅极驱动电路应能承受VDD=25V和VEE=-10V，以适用于最广泛的可用器件

VGS必须有快速的上升沿和下降沿(在几ns范围内)

在整个米勒平台区域内，有能力提供高的峰值栅极灌电流和拉电流（数安培）

当VGS下降到米勒平台以下时，需要提供一个非常低的阻抗保持或"钳位"，以实现高的灌电流能力。灌电流的额定值应超过仅对SiCMOSFET的输入电容放电所需的电流。10A左右的峰值灌电流最小额定值应适用于高性能、半桥（电源）拓扑结构

VDD欠压锁定(UVLO)水平，与开关开始前VGS>~16V的要求相匹配

VEE

UVLO监测能力确保负电压轨在可接受的范围内

能够检测、报告故障和提供保护的去饱和功能，使SiCMOSFET长期可靠运行

支持高速开关的低寄生电感

小尺寸（驱动器）封装，布局尽可能靠近SiCMOSFET

七栅极驱动器方案

安森美的NCP51705是一款SiC栅极驱动器IC，提供高的设计灵活度和集成度，几乎与任何SiCMOSFET兼容。NCP51705集成许多通用栅极驱动器IC所共有的功能，包括：

VDD正电源电压最高28V

高峰值输出电流：6A拉电流和10A灌电流

内置5V基准可用于偏置5V、20mA以下的低功耗负载（（数字隔离器）、（光耦）合器、（微控制器）等）

单独的（信号）和电源接地连接

单独的源和灌输出引脚

内置热关断保护

单独的非反相和反相TTL、PWM输入

图5：NCP51705SiC栅极驱动器框图

然而，该IC集成几个独特的功能，能够以最少的外部（元器件）设计出可靠的SiCMOSFET栅极驱动电路。这些功能包括：

欠压保护(DESAT)

（电荷泵）(用于设置负电压轨)

可（编程）的欠压锁定(UVLO)

数字同步和故障报告

24引脚，4毫米×4毫米，热增强型MLP封装，便于板级集成

八总结