SiC設計干貨分享（一）：SiC MOSFET驅動(dòng)電壓的分析及探討

隨著(zhù)制備技術(shù)的進(jìn)步，在需求的不斷拉動(dòng)下，碳化硅（SiC）器件與模塊的成本逐年降低。相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與應用也得到了極大的加速。尤其在新能源汽車(chē)，可再生能源及儲能等應用領(lǐng)域的發(fā)展，更是不容小覷。

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專(zhuān)業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶(hù)打造個(gè)性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設計周期。在第三代半導體的實(shí)際應用領(lǐng)域，富昌電子結合自身的技術(shù)積累和項目經(jīng)驗，落筆于SiC相關(guān)設計的系列文章。希望以此給到大家一定的設計參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

作為系列文章的第一部分，本文將先就SiC MOSFET的驅動(dòng)電壓做一定的分析及探討。

常見(jiàn)的Vgs與Vgs(th)，以及對SiC MOSFET應用的影響

驅動(dòng)電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)關(guān)系到SiC MOSFET在應用過(guò)程中的可靠性，功率損耗(導通電阻)，以及驅動(dòng)電路的兼容性等。這是SiC MOSFET非常關(guān)鍵的參數，在設計過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮。在不同的設計中，設置不同的驅動(dòng)電壓會(huì )有更高的性?xún)r(jià)比。下圖1 列出幾個(gè)常見(jiàn)廠(chǎng)家部分SiC MOSFET的Vgs與Vgs(th)值作對比。

SiC MOSFET驅動(dòng)電壓設置探討

1.驅動(dòng)電壓高電平Vgs_on是選擇+12V、+15V、+18V還是+20V?

如圖1所示，SiC MOSFET 驅動(dòng)電壓正向最大值在22V~25V左右，推薦的工作電壓主要有+20V,+18V兩種規格，具體應用需要參考不同SiC MOSFET型號的DATASHEET。由下圖2所示，Vgs超過(guò)15V時(shí)，無(wú)論是導通內阻還是導通電流逐漸趨于平緩 (各家SiC MOSFET的DATASHEET給出的參考標準不同，有的是Rds(on)與Vgs的曲線(xiàn)，有的是Id與Vgs的曲線(xiàn))。當然驅動(dòng)電壓Vgs越高，對應的Rds(on)會(huì )越小，損耗也就越小。

富昌設計小建議：Vgs設定Vgs時(shí)不能超過(guò)DATASHEET給定的最大值，否則可能會(huì )造成SiC MOSFET永久損壞。

（1）對于推薦使用+18V或+20V 高電平驅動(dòng)電壓的SiC MOSFET

由圖1所示，因為新一代SiC MOS工藝的提升，部分SiC MOSFET推薦高電平驅動(dòng)電壓為+18V。由下圖2所示，工藝的提升，使得Vgs從+18V到+20V的Rds(on)變化不大，導通損耗差別不明顯。

富昌設計小建議：最新一代SiC MOSFET建議使用+18V驅動(dòng)電壓。對降低驅動(dòng)損耗以及減少Vgs過(guò)沖損壞更加有益。

（2）對于+15V 高電平可否驅動(dòng)SiC MOSFET

在正常情況下，DATASHEET上沒(méi)有推薦，不建議使用。但是考慮到與15V驅動(dòng)的Si IGBT 兼容，需要經(jīng)過(guò)計算導通損耗的增加，設計有足夠的散熱條件以及考慮到設備整體損耗時(shí)，也可以使用。如下圖2所示為Vgs與Rds(on)的關(guān)系，可知門(mén)極電壓越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)會(huì )比標稱(chēng)值大。

富昌設計小建議：Vgs設置為+15V時(shí)，SiC MOSFET損耗會(huì )比標稱(chēng)值大。

（3）對于+12V 高電平可否驅動(dòng)SiC MOSFET

工作原理與+15V驅動(dòng)電壓同理，但是應用會(huì )更少，一般不推薦使用。但是一些特殊應用場(chǎng)景，例如在小功率高壓輔助電源應用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，客戶(hù)在綜合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情況下，是可以使用的。

富昌設計小建議：Vgs設置為+12V時(shí)，SIC MOSFET損耗會(huì )遠遠超過(guò)標稱(chēng)值，計算損耗時(shí)應參考Vgs=+12V時(shí)的Rdson。

2.驅動(dòng)電壓低電平Vgs_off是選擇0V、-3V還是-5V?

驅動(dòng)電壓低電平的選擇要比高電平復雜的多，需要考慮到誤開(kāi)通。誤開(kāi)通是由高    速變化的dv/dt，通過(guò)米勒電容Cgd耦合到門(mén)極產(chǎn)生門(mén)極電壓變化，導致關(guān)斷時(shí)ΔVgs超過(guò)閾值電壓而造成的。因此誤開(kāi)通不僅和閾值電壓Vgs(th)有關(guān)，還與dv/dt產(chǎn)生的電壓變化有關(guān)。

（1）對于-3V或-5V關(guān)斷電壓如何選擇

首先參考SiC MOSFET的DATASHEET上推薦的關(guān)斷電壓。再考慮門(mén)極電壓閾值裕度為

ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 當dv/dt趨于無(wú)窮大時(shí)，dv/dt產(chǎn)生的門(mén)極電壓變化為：

ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss?？芍?，當門(mén)極電壓閾值裕度ΔVgs_th越大于dv/dt造成的門(mén)極電壓變化ΔVgs時(shí)，器件Vgs_off安全裕度越大，誤開(kāi)通風(fēng)險越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，導致導通損耗增加。

富昌設計小建議：綜合考量計算ΔVgs_th 后，在實(shí)驗過(guò)程中實(shí)測ΔVgs，可以進(jìn)一步提升實(shí)際應用的穩定性和性能。

（2）對于0V關(guān)斷電壓探討

雖然驅動(dòng)電壓Vgs為0V時(shí)已經(jīng)可以關(guān)斷SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能會(huì )導致SiC MOSFET誤導通，導致設備損壞，故而不推薦使用。當然如果是設計的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足夠大，并且充分考慮到ΔVgs對SiC MOSFET誤導通的影響下，客戶(hù)可以根據自己的設計而定。

富昌設計小建議：重點(diǎn)考慮dv/dt造成的ΔVgs以及環(huán)路等效電感，對誤導通的影響，在設置Vgs_off=0V時(shí)，才能讓系統更加穩定。

Vgs(th)漂移帶來(lái)的影響，以及影響Vgs(th)的因素

由于寬禁帶半導體SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半導體氧化層界面特性，會(huì )引起閾值電壓變化以及漂移現象。為了理解這些差異，解釋這些差異與材料本身特性的關(guān)系，評估其對應用、系統的影響，需要更多的研究及探索。

（1）Vth漂移對應用的影響

長(cháng)期來(lái)看，對于給定的Vgs, 閾值漂移的主要影響在于會(huì )增加Rds(on)。通常來(lái)說(shuō)，增加 Rds(on)會(huì )增加導通損耗，進(jìn)而增加結溫。在計算功率循環(huán)時(shí)，需要把這個(gè)增加的結溫也考慮進(jìn)去。

富昌設計小建議：如果開(kāi)關(guān)損耗占比總損耗較高時(shí)，可以忽略Vgs(th) 漂移導致的開(kāi)通損耗。

（2）Vth漂移對器件的基本功能不會(huì )被影響，主要有：

●    耐壓能力不會(huì )受影響；

●    器件的可靠性等級，如抗宇宙射線(xiàn)能力，抵抗濕氣的能力等不會(huì )受影響；

●    Vth漂移會(huì )對總的損耗有輕微影響；

（3）影響Vth漂移的參數主要包括：

●    開(kāi)關(guān)次數，包括開(kāi)關(guān)頻率與操作時(shí)間；

●    驅動(dòng)電壓，主要是Vgs_off；

（4）以下參數對開(kāi)關(guān)操作引起的Vth漂移沒(méi)有影響：

●    結溫；

●    漏源電壓，漏極電流；

●    dv/dt, di/dt；

總結

本文主要針對驅動(dòng)電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)本身對SiC MOSFET在使用過(guò)程中的影響做出討論。

在實(shí)際應用過(guò)程中，設置的Vgs電壓是對設備的可靠性，功率損耗以及驅動(dòng)電路的兼容性等因素的綜合考慮。理論計算只是設計參考的一部分，也可以考慮實(shí)際測量獲得真實(shí)的數據來(lái)修正設計參數。實(shí)際測量得到的ΔVgs，對設置Vgs_off會(huì )更有參考價(jià)值，并且會(huì )使得SiC MOSFET應用設計更加穩定且充分利用其性能。同時(shí)驅動(dòng)電壓Vgs的設置還會(huì )受到驅動(dòng)電阻Ron與Roff、驅動(dòng)電流以及驅動(dòng)回路等影響，此處不做展開(kāi)探討，富昌電子將在后續連載文章中逐步剖析，敬請期待。