碳化硅(SiC)MOSFET在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得重大進(jìn)展，得益于其一系列優(yōu)于硅基開關(guān)的優(yōu)勢，包括更快的開關(guān)速度、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，這也就帶來更小、更輕的設(shè)計(jì)。這些優(yōu)勢讓其在一系列汽車和工業(yè)應(yīng)用中尋找到發(fā)展空間。不過，碳化硅等寬禁帶(WBG)器件也帶來了不少設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如電磁干擾(EMI)、過熱和過壓等問題，我們可以通過選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器來予以解決。

柵極驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)功率器件，因此它是解決功率問題的關(guān)鍵組成部分。要確保碳化硅的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中一個(gè)方法就是預(yù)先謹(jǐn)慎選擇柵極驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，還需要仔細(xì)審視設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求，包括效率、密度，當(dāng)然還有成本。因?yàn)楦鶕?jù)應(yīng)用要求，總會(huì)需要做出一些權(quán)衡折衷。

盡管碳化硅具有一些固有的優(yōu)勢，但其價(jià)格卻仍然阻礙其廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電源IC制造商的說法，除非設(shè)計(jì)人員考慮解決方案的總成本，否則，如果僅在器件層面比較碳化硅與硅這兩者，那么前者無疑更加昂貴而難以證明其價(jià)值。

我們首先討論下SiC相對于硅MOSFET或IGBT有哪些應(yīng)用上的不同、優(yōu)勢以及權(quán)衡。SiC FET較高的擊穿電壓使其具有較低的導(dǎo)通電阻；其較高的飽和速度則可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度；其3倍高的帶隙能量則可以實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)溫，從而改善冷卻；其3倍高的熱導(dǎo)率則表明其可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度(圖1)。

業(yè)界一致認(rèn)為，低壓硅MOSFET和GaN適用于低于700V的電壓范圍，而SiC則更適合在高于700V的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，二者在較小的功率范圍有少許重疊。

碳化硅主要用于取代600V和3.3kW以上的硅IGBT類應(yīng)用，而在大約11kW時(shí)更是如此，此時(shí)對SiC來說更像是一個(gè)甜蜜點(diǎn)，也即它具有高電壓工作、低開關(guān)損耗和更高開關(guān)頻率的功率級等優(yōu)勢，美國微芯科技(Microchip)分立及電源管理數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器(AgileSwitch)產(chǎn)品線總監(jiān)Rob Weber指出。

這些特性使采用更小的濾波器和無源元件成為可能，而且它還降低了冷卻需求。他表示：“我們談?wù)摰氖窍鄬τ贗GBT的系統(tǒng)級優(yōu)勢，它最終將帶來尺寸、成本和重量的降低。”

“從損耗的角度來看，例如，在30kHz的開關(guān)頻率下，損耗最高可降低70%。這是由于碳化硅在擊穿電場、電子飽和速度、帶隙能量和熱導(dǎo)率方面具有不同的特性。”Weber表示。

圖1：SiC與Si和IGBT對比。(圖片來源：Microchip)

工程師關(guān)注的基準(zhǔn)是效率，這決定了改善的程度，但對碳化硅而言，越來越被關(guān)注到的是其優(yōu)于IGBT的系統(tǒng)級優(yōu)勢，Weber表示。

“碳化硅可以在更高的開關(guān)頻率下工作，這樣，工程師就可以在最接近的功率級周圍使用更小的外部元器件，例如濾波器，也即又大又重的磁性器件。再就是，由于開關(guān)損耗較低，碳化硅可以在更高的溫度下工作或更不容易發(fā)熱；還可以用風(fēng)冷系統(tǒng)代替液冷系統(tǒng)，同時(shí)縮小散熱器的尺寸。”他解釋到。

他表示，這種元器件尺寸和重量的減少，可以帶來更低的成本，也即碳化硅的優(yōu)勢遠(yuǎn)不止提高效率。

然而，就器件之間的價(jià)格比較而言，碳化硅仍然要比傳統(tǒng)的硅基IGBT貴。“所有制造商的碳化硅模塊成本都更高，但如果去審視整個(gè)系統(tǒng)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)碳化硅系統(tǒng)的成本更低。”Weber指出。

在Weber分享的一個(gè)案例中，某客戶采用SiC MOSFET后系統(tǒng)成本降低了6%。

一旦設(shè)計(jì)人員決定改用碳化硅，那么就還需要進(jìn)行一些權(quán)衡。功率半導(dǎo)體制造商承認(rèn)，碳化硅會(huì)帶來一些“間接效應(yīng)”，如噪聲、EMI和過壓等，這些問題必須予以解決。

“讓器件更快地開關(guān)，也就可能會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲，這會(huì)帶來EMI問題。”Weber表示，“此外，盡管SiC在更高的電壓下表現(xiàn)更出色，但它在短路條件下遠(yuǎn)不如IGBT魯棒，而且電壓會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)發(fā)生過壓情況，這就會(huì)導(dǎo)致一些設(shè)計(jì)人員采用額定電壓更高的SiC器件，以便更好地控制過壓和過熱情況。”

這就是柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇發(fā)揮重要作用的地方。碳化硅對電源電壓、快速短路保護(hù)和高dv/dt抗擾度等特性都有獨(dú)特的要求。

選擇碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器

與硅基器件相比，在為碳化硅開關(guān)選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要以一種新的思維方式去考慮其電源解決方案。主要考慮因素包括拓?fù)洹㈦妷骸⑵靡约氨O(jiān)控和保護(hù)功能。

柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇至關(guān)重要，而在以前，可以采用順序法來選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，Weber表示。“在碳化硅出現(xiàn)之前，是先選擇IGBT，然后選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，再選擇母線和電容器等。”Weber解釋說，“現(xiàn)在則完全不同。我們必須先審視正在設(shè)計(jì)的整體解決方案并在每個(gè)步驟做出權(quán)衡，而不能采用IGBT的這種順序法。很多客戶都從中得到過教訓(xùn)。”

另外，碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器種類繁多，其特性和集成度(以及價(jià)格)也多種多樣，可以適用從簡單到復(fù)雜的各種設(shè)計(jì)。

例如，ADI公司將其柵極驅(qū)動(dòng)器按基本功能、過流保護(hù)和故障檢測等保護(hù)功能以及完全可編程的可配置性進(jìn)行分類。ADI的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器采用該公司的iCoupler隔離技術(shù)，并與高速CMOS和單片變壓器技術(shù)相結(jié)合。據(jù)該公司稱，該技術(shù)可在不犧牲共模瞬變抗擾度(CMTI)性能的情況下實(shí)現(xiàn)超低傳播延遲。ADI還提供了一系列評估板和參考設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率水平、保護(hù)和功能安全要求以及在用的SiC器件將決定應(yīng)用所需的驅(qū)動(dòng)器類型，德州儀器(TI)高壓電源系統(tǒng)工程主管Lazlo Balogh表示。

例如，非隔離式驅(qū)動(dòng)器可能需要大量額外的電路，它適用于較簡單的應(yīng)用，因此并不需要將所有的東西都集成到驅(qū)動(dòng)器中，他表示。

還有隔離式驅(qū)動(dòng)器能夠處理負(fù)偏置和隔離問題，但仍需要在系統(tǒng)中進(jìn)行某種監(jiān)控。最后是汽車應(yīng)用中所采用的進(jìn)一步集成的器件，其中包含了監(jiān)控和保護(hù)電路以及功能安全，他補(bǔ)充說。

“正確部署SiC的步驟是，首先審視拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所需驅(qū)動(dòng)的器件類型，然后選擇柵極驅(qū)動(dòng)器，優(yōu)化偏置，確定需要的保護(hù)功能，最后優(yōu)化布局。”Balogh表示。

從驅(qū)動(dòng)器的角度來看，無論是需要隔離式還是非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，需要多少保護(hù)功能(這與針對保護(hù)和安全的集成度有關(guān))，還是需要多少額外電路，擁有合適的偏置，就擁有合適的電壓能力，他補(bǔ)充說。

還有一個(gè)阻礙SiC應(yīng)用的原因是，由于其開關(guān)速度較高，SiC器件需要采用能消除源極電感的封裝，而這通常是采用開爾文源極連接來實(shí)現(xiàn)的(圖2)。“源極電感的后果可能非常糟糕，它會(huì)減慢開關(guān)動(dòng)作，從而導(dǎo)致大量的振鈴和額外的功耗。”Balogh指出。

圖2：開爾文源極連接。(圖片來源：TI)

“這時(shí)候版圖設(shè)計(jì)工程師就是我們最好的朋友，因?yàn)槲覀冋娴男枰獙徱暟鎴D設(shè)計(jì)，從而減輕振鈴并針對高速開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化。”Balogh表示。他還補(bǔ)充說，這其中包括最大限度地降低走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并選擇合適的元器件將開關(guān)電流通路和寬頻帶正確地旁路。

真正關(guān)鍵的是如何將驅(qū)動(dòng)器連接到開關(guān)，Balogh表示。由于雜散電感會(huì)增加開關(guān)損耗，因此必須將驅(qū)動(dòng)器的地直接連接到電源開關(guān)的源極，他指出。

德州儀器提供了一系列評估板/參考設(shè)計(jì)，讓客戶更接近其性能要求。Balogh表示，總會(huì)需要做出一些權(quán)衡，而TI則可幫助客戶根據(jù)自己的需求優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如是否需要達(dá)到滿載峰值效率。他建議，如果對驅(qū)動(dòng)WBG有任何疑問，可參考應(yīng)用筆記并聯(lián)系應(yīng)用工程師。

TI提供了一系列Si和IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器，包括UCC21710、UCC21732和UCC21750。它們都是集成了保護(hù)和傳感功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器(圖3)。這些器件所提供的快速檢測時(shí)間，可防止過流事件，同時(shí)確保系統(tǒng)安全關(guān)斷。

圖3：保護(hù)功能。(圖片來源：TI)

英飛凌科技的區(qū)域應(yīng)用工程師Mladen Ivankovic表示，選擇SiC MOSFET時(shí)要問的第一個(gè)關(guān)鍵問題是，“需要對該器件提供單極驅(qū)動(dòng)還是雙極驅(qū)動(dòng)”。

市面上有很多又快又魯棒的驅(qū)動(dòng)器，既可以驅(qū)動(dòng)Si，也可以驅(qū)動(dòng)SiC，但在從Si轉(zhuǎn)向SiC時(shí)，因此需要謹(jǐn)慎思考如何對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)楣枋怯?2V的典型電壓驅(qū)動(dòng)的，Ivankovic表示。“我們是用12V導(dǎo)通，用0V關(guān)斷，因此驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)硅器件或超結(jié)MOSFET的正常電壓范圍為0至12V，因此任何硅器件供應(yīng)商都可以提供。”他補(bǔ)充說。

另一方面，不同廠商的SiC器件卻有著不同的導(dǎo)通/關(guān)斷電壓。例如，市面上有的SiC MOSFET需要用+15V電壓來導(dǎo)通，用-4V電壓來關(guān)斷，有的則是需要用+20V來導(dǎo)通，用-2或-5V來關(guān)斷，Ivankovic表示。“這就需要一個(gè)能夠支持正負(fù)電壓的驅(qū)動(dòng)器。”

但是，采用英飛凌的SiC，就只需要一個(gè)較寬的電壓范圍，他表示。“因此，不是0到12V，而是需要使用0到18V來對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且可以使用與Si或SiC相同的驅(qū)動(dòng)器。”他補(bǔ)充說。

因此，設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇是需要單極柵極驅(qū)動(dòng)器，還是需要同時(shí)提供正負(fù)電壓才能正常對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，Ivankovic表示。

英飛凌最近面向一系列工業(yè)應(yīng)用推出了EiceDRIVER X3增強(qiáng)型模擬(1ED34xx)柵極驅(qū)動(dòng)器IC和數(shù)字(1ED38xx)柵極驅(qū)動(dòng)器IC(圖4)。這兩個(gè)系列專為采用分立和模塊封裝的IGBT、Si和SiC MOSFET而設(shè)計(jì)。1ED34xx可通過外部電阻器提供可調(diào)節(jié)的去飽和濾波時(shí)間和軟關(guān)斷電流，1ED38xx則為多個(gè)參數(shù)提供了I2C可配置性，包括可調(diào)控制和保護(hù)功能，例如短路保護(hù)、軟關(guān)斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關(guān)斷和兩電平關(guān)斷(TLTO)。

圖4：英飛凌所設(shè)計(jì)的EiceDRIVER 1EDBx275F單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IC系列，專門用于驅(qū)動(dòng)Si、SiC和GaN功率開關(guān)。(圖片來源：英飛凌科技)

根據(jù)ADI高級應(yīng)用工程師Eric Benedict所述，另一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器考慮因素是峰值電流容量性能，他在Wolfspeed的培訓(xùn)課程網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上談到了這一點(diǎn)。“那么，為什么這是驅(qū)動(dòng)開關(guān)的一個(gè)重要特性呢？在大多數(shù)情況下，它歸結(jié)為以降低開關(guān)損耗的形式實(shí)現(xiàn)效率的提升。為了完成開關(guān)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)器需要向柵極提供足夠的電荷，以便使開關(guān)完全導(dǎo)通。使開關(guān)速度加快意味著更快地提供這些電荷，而由于電流是單位時(shí)間所流過的電荷，更快的開關(guān)速度意味著更多的柵極驅(qū)動(dòng)電流。因此，峰值驅(qū)動(dòng)電流將由柵極回路總電阻上的柵極電源電壓所決定。”

Benedict還提醒到，在查看數(shù)據(jù)手冊時(shí)需要注意，制造商會(huì)根據(jù)不同的測試條件報(bào)告其柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流。“有些制造商指定的是在將輸出短路獲得極短電路脈沖期間所測得的電流，而另一些制造商則使用的是在有一定實(shí)際柵極電阻的情況下所測得的電流。因此，在比較不同器件的規(guī)格時(shí)，確實(shí)需要格外細(xì)心。”

該培訓(xùn)課程中還涵蓋了一些要點(diǎn)，包括選擇具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的柵極驅(qū)動(dòng)器，從而利用開關(guān)頻率的優(yōu)勢來降低損耗；提供適當(dāng)?shù)墓材Ｋ沧兛箶_度；關(guān)注版圖設(shè)計(jì)而使其針對SiC進(jìn)行調(diào)整，例如最大限度地降低寄生效應(yīng)；以及了解與IGBT相比，在去飽和或短路保護(hù)上有何不同。

可配置的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器

許多領(lǐng)先的電源IC制造商都開發(fā)了獨(dú)有的SiC柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)和解決方案，借此來避免產(chǎn)生間接效應(yīng)，并最大限度地發(fā)揮寬禁帶器件的技術(shù)優(yōu)勢。

例如，Microchip在其AgileSwitch驅(qū)動(dòng)器中采用了數(shù)字方法，其中包括一種稱為“增強(qiáng)型開關(guān)”的獨(dú)特技術(shù)(圖5)。該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵要素是可配置的導(dǎo)通/關(guān)斷，它提供了一系列步驟來控制電壓水平和處于這些電壓水平的時(shí)間。這讓設(shè)計(jì)人員可以通過軟件以數(shù)字方式配置導(dǎo)通/關(guān)斷曲線，而無需對硬件進(jìn)行更改。該技術(shù)還包括額外水平的故障監(jiān)控檢測和短路響應(yīng)。

Microchip還宣布了一些重大的改進(jìn)：開關(guān)損耗降低達(dá)50%，電壓超調(diào)降低達(dá)80%。

“傳統(tǒng)的模擬方法當(dāng)然適用于硅開關(guān)，上述很多間接效應(yīng)在驅(qū)動(dòng)緩慢的IGBT時(shí)都不是問題，但碳化硅則完全不同。”Weber表示。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是可以非常快速地保護(hù)短路條件，然后以安全的方式對其做出響應(yīng)，Weber指出。

圖5：數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展。(圖片來源：Microchip)

Microchip最近推出了第二代數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器，其在第一代的基礎(chǔ)上，增加了新的控制水平(圖6)。這種可配置的柵極驅(qū)動(dòng)器可用于驅(qū)動(dòng)任意供應(yīng)商的SiC MOSFET。

MOSFET的差異與導(dǎo)通電壓和關(guān)斷電壓有關(guān)，因此，即使不同公司的MOSFET可能有不同的正負(fù)電壓，也可以通過Microchip的柵極驅(qū)動(dòng)器對正負(fù)電壓水平進(jìn)行編程。這些都是可通過柵極驅(qū)動(dòng)器配置的，Weber表示。

圖6：AgileSwitch的可配置性。(圖片來源：Microchip)

Weber表示，他們的客戶已經(jīng)能夠?qū)⑵溟_發(fā)周期和開發(fā)時(shí)間縮短多達(dá)六個(gè)月。“過去用焊錫槍或電路板返工才能做到的事情，現(xiàn)在用軟件就可以完成，這是完全不同的思維模式。而對那些已經(jīng)開始采用它的客戶來說，他們認(rèn)為這改變了局面。”

他還指出，這為客戶提供了更大的靈活性，尤其是在供應(yīng)鏈面臨挑戰(zhàn)的時(shí)候。“當(dāng)有產(chǎn)品供應(yīng)時(shí)，公司就能夠在供應(yīng)商之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。”他補(bǔ)充說。

Microchip在一系列柵極驅(qū)動(dòng)器板產(chǎn)品中采用了ASD2數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器IC，這些電路板被稱為柵極驅(qū)動(dòng)器核心，也即帶有電源柵極驅(qū)動(dòng)器，以及微處理器和一定程度的可配置性與控制能力的半橋器件。該公司還通過一系列適配器板或子卡來提供全行業(yè)兼容性，從而使同時(shí)使用Microchip和競爭對手所提供的不同類型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模塊成為了可能。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器還支持設(shè)計(jì)人員針對當(dāng)今的應(yīng)用對MOSFET進(jìn)行優(yōu)化，而不是在5至10年后優(yōu)化，從而解決開關(guān)隨時(shí)間或使用而老化的問題。

“對于我們的驅(qū)動(dòng)器，客戶關(guān)注和感興趣的一點(diǎn)是，它能夠針對當(dāng)前的MOSFET進(jìn)行優(yōu)化。他們的想法是，如果MOSFET的性能確實(shí)隨時(shí)間推移而下降，他們就可以通過更改設(shè)置來圍繞MOSFET進(jìn)行優(yōu)化。這樣，就可以從當(dāng)前的系統(tǒng)中獲得更高的效率，而不必通過為未來最壞的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)而放棄這種效率。”Weber表示。

這也可以通過模擬解決方案來完成，而且總會(huì)有很多方法能夠?qū)崿F(xiàn)，但開發(fā)解決方案的成本、權(quán)衡和時(shí)間就不得而知了，他補(bǔ)充說。

采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器

供應(yīng)商們也承認(rèn)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器來控制SiC器件，但他們不得不做出一些設(shè)計(jì)折衷，而這種折衷通常需要額外的電路或更大的外部器件。例如，在使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一種減少振鈴和過壓的方法就是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

Balogh還指出了其他需要考慮的問題，例如保護(hù)功能、欠壓鎖定、更高頻率的工作、更快的開關(guān)速度和裸片上的熱點(diǎn)，這些都會(huì)對功耗、EMI和尺寸產(chǎn)生影響。

此外，額外的電路通常會(huì)比集成式解決方案和專用SiC占用更多的空間，這也會(huì)帶來很多負(fù)面影響。因此，高端設(shè)計(jì)應(yīng)選擇專用的SiC核心驅(qū)動(dòng)器，這類驅(qū)動(dòng)器考慮了更快的開關(guān)速度、過壓條件以及噪聲和EMI等相關(guān)問題，他表示。

“我們總是可以使用標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動(dòng)器，但是必須用額外的電路來對其進(jìn)行補(bǔ)充，而這通常是一種設(shè)計(jì)權(quán)衡。”Balogh表示。

例如，對小型高功率密度設(shè)計(jì)而言，可以采用SOT23封裝的標(biāo)準(zhǔn)非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。非隔離式驅(qū)動(dòng)器不能直接適用，但也可以做到，而且很多人都喜歡采用這種方法，Balogh談到。


審核編輯：劉清