合适的SiC MOSFET驱动芯片有多重要？

文章来源：英飞凌工业半导体

文章作者：张明丹，郑姿清

近年来，基于宽禁带材料的器件技术的不断发展，碳化硅器件的实际工程应用，受到了越来越广泛的关注。相较传统的硅基器件，碳化硅MOSFET具有较小的导通电阻以及很快的开关速度，与硅IGBT相比，导通损耗和开关损耗均有明显减小。SiC MOSFET器件的使用，给实际系统效率的进一步提高，以及系统体积的进一步减小带来了希望。尤其在光伏逆变与电池充电等对效率和体积均有较高要求的应用场合，SiC MOSFET的工程使用已成为炙手可热的话题。

目前，关于SiC MOSFET的优势特性以及针对此种新型材料器件的可靠性研究，已相当广泛。然而，作为控制开关功率器件开通关断的重要组成部分，驱动设计也成为是否可以充分发挥SiC MOSFET特性优势的关键环节。

由于SiC产品与传统硅IGBT或者MOSFET参数特性上有所不同，并且其通常工作在高频应用环境中， 为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动芯片，需要考虑如下几个方面：

1.  驱动电平与驱动电流的要求

首先，由于SiC MOSFET器件需要工作在高频开关场合，其面对的由于寄生参数所带来的影响更加显著。由于SiC MOSFET本身栅极开启电压较低，在实际系统中更容易因电路串扰发生误导通，因此通常建议使用栅极负压关断。不同SiC MOSFET器件的栅极开启电压参数列举如图1所示。

图1 不同SiC MOSFET 栅极开启电压参数比较

为了提高SiC MOSFET在实际工程实际中的易用性，各半导体厂家在SiC MOSFET设计之初，都会尽量调整参数的折中，使得SiC MOSFET的驱动特性接近用户所熟悉的传统硅IGBT。然而，宽禁带半导体器件有其特殊性，以英飞凌CoolSiC™ 系列为例，从规格书与应用指南可知，结合开关频率与寿命计算的综合考量，在某些应用中可以使用15V栅极开通电压，而栅极关断电压最低为-5V。当我们将目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，会发现各家推荐的栅极工作电压也有所差异。因此，理想的适用于SiC MOSFET的驱动芯片应该能够覆盖各种不一样的栅极开通和关断电压需求，至少需要驱动芯片的供电电压压差Vpos-Vneg可达到25V。

虽然SiC MOSFET具有较小的栅极电容，所需要的驱动功率相对于传统IGBT显著较小，但是驱动电流的大小与开关器件工作速度密切相关，为适应高频应用快速开通关断的需求，需要为SiC MOS选择具有较大峰值输出电流的驱动芯片，并且如果输出脉冲同时兼具足够快的上升和下降速度，则驱动效果更加理想，这就意味着要求驱动芯片的上升与下降时间参数都比较小。

2．  满足较短死区时间设定的要求

在桥式电路结构中，死区时间的设定是影响系统可靠运行的一个关键因素。SiC MOSFET器件的开关速度较传统IGBT有了大幅提高，许多实际工程使用都希望能因此进一步提高器件的工作频率，从而提高系统功率密度。这也意味着系统设计中需要较小的死区时间设定与之匹配，同时，选择较短的死区时间，也可以保证逆变系统具有更高的输出电压质量。

死区时间的计算，除了要考虑开关器件本身的开通与关断时间，尤其是小电流下的开关时间之外，驱动芯片的传输延时也需要考量。尤其对于本身开关速度较快的开关器件，芯片的延时在死区设定的考量中所占的比重更大。另外，在隔离型驱动设计中，通常采用的是一拖一的驱动方式，因此，芯片与芯片之间的参数匹配差异，也需要在死区设定时一并考量。要满足较小死区时间的要求，选择驱动芯片时，需要相应的参考芯片本身传输延时时间参数，以及芯片对芯片的匹配延时。

3．芯片所带的保护功能

1)  短路保护

SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上有所差异，以英飞凌CoolSiC™ 系列为例，全系列SiC MOSFET具有大约3微秒短路耐受能力。可以利用器件本身的这一特性，在驱动设计中考虑短路保护功能，提高系统可靠性。

不同型号SiC MOSFET短路承受能力存在差异，但短路保护响应时间越短越好。借鉴IGBT退饱和检测方法，根据开关管输出特性，SiC MOSFET漏源极电压大小可反映电流变化。与硅IGBT相比，SiC MOSFET输出特性曲线的线性区及饱和区没有明显过渡，发生短路或过流时电流上升仍然很快，这就意味着保护电路需要更快的响应速度来进行保护。

针对SiC MOSFET的短路保护需求，需要选择检测速度快，响应时间短的驱动芯片进行保护电路设计。

此外，根据IGBT的设计经验，每次开通时，需求设定一段消隐时间来避免由于开通前期的Vce电压从高位下降所导致的DSAET误触发。消隐时间的需要，又对本只有3us的SiC MOSFET的短路保护电路设计提出更严苛的挑战，需要驱动芯片的DESAT相关参数具有更高的精度，以实现有效的保护设计。同时，也需要更优化的驱动电路的PCB设计，保证更小的环路寄生电感的影响。

 2) 有源米勒箝位

前文提到，SiC MOSFET的栅极开启电压较低，加上其寄生电容小，它对驱动电路寄生参数的影响也更加敏感，更容易造成误触发，因此常推荐使用负压进行关断。但同时，由于SiC MOSFET所能承受的栅极负压范围较小，过大的负向电压尖峰可能击穿开关管，某些厂家提出推荐较高的负压关断，甚至0v关断。此种情况下，为保证器件在关断期间不因米勒效应发生误触发，可以使用带有有源米勒箝位功能的驱动芯片进行设计。

4.  芯片抗干扰性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驱动芯片，处于高频应用环境下，这要求芯片本身具有较高的抗干扰度。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为CMTI。现行标准中，对磁隔离型驱动芯片抗扰性地测量方法，兼顾了电压上升延与下降延dv/dt，这与实际SiC MOSFE开通和关断都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI参数可以作为衡量用于驱动SiC MOSFE的驱动芯片抗扰度的技术参考。

综上所述，为了在实际应用中发挥SiC MOSFET的高频特性，需要选择具有合适的驱动电压和驱动电流，满足短死区时间设计的较小传输延时以及芯片之间匹配延时的驱动芯片。同时，有效的保护功能与抗干扰性，可以满足更高的系统可靠性要求。表1将英飞凌磁隔离驱动芯片EiceDRIVER™系列的相关参数进行了比较，全系列产品为用户提供了各种个性化选择。