如何選擇合適的碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器？
利用集成負(fù)偏壓來(lái)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車、不間斷電源、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器和泵等高功率應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)工程師更傾向于選擇碳化硅 (SiC) MOSFET，因?yàn)榕c IGBT 相比，SiC 技術(shù)具有更高的效率和功率密度。為了保持整體系統(tǒng)高能效并減少功率損耗，為 SiC MOSFET 搭配合適的 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器可謂至關(guān)重要。
本文將闡述系統(tǒng)能效的重要性，并簡(jiǎn)要說(shuō)明 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括 SiC 功耗、SiC 導(dǎo)通和關(guān)斷基本原理以及如何減少開(kāi)關(guān)損耗。此外，我們將介紹首款集成負(fù)偏壓的 3.75 kV 柵極驅(qū)動(dòng)器 NCP(V)51752。
能效提升，毫厘必爭(zhēng)
當(dāng)談到功率損耗管理時(shí)，對(duì)于數(shù)十千瓦到上兆瓦的高功率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，哪怕是一絲一毫的效率提升都非常重要。例如，若 100 W 應(yīng)用的能效達(dá)到 95%，則需通過(guò)散熱策略處理的功耗僅有 5 W。對(duì)此，可能添加一個(gè)散熱片或一個(gè)風(fēng)扇就已經(jīng)足夠。但以相同能效運(yùn)行的 350 kW 應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生 17.5 kW 的功耗，這就需要投入大量工程資源和成本來(lái)優(yōu)化散熱策略，此外還會(huì)對(duì)碳足跡產(chǎn)生負(fù)面影響。
減少功率損耗
SiC 的總功率損耗本質(zhì)上是導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗的總和。當(dāng) SiC MOSFET 完全導(dǎo)通時(shí)，SiC 導(dǎo)通損耗主要由 I2R 決定，其中 I 是漏極電流 (ID)，R 是 RDSON，即 SiC MOSFET 完全導(dǎo)通時(shí)漏極至源極電流路徑的電阻。系統(tǒng)工程師可以通過(guò)選擇 RDSON 較低的 SiC MOSFET、并聯(lián)配置多個(gè) SiC MOSFET（或同時(shí)使用兩種方法），將導(dǎo)通損耗降至超低水平。
SiC 開(kāi)關(guān)損耗比較復(fù)雜，會(huì)受到總柵極電荷 (QG(TOT))、反向恢復(fù)電荷 (QRR)、輸入電容 (CISS)、柵極電阻 (RG)、EON 損耗和 EOFF 損耗等參數(shù)的影響。
總柵極電荷 QG(TOT)
總柵極電荷 QG(TOT) 表示柵極驅(qū)動(dòng)器為完全導(dǎo)通或關(guān)斷 MOSFET 而注入柵極電極的電荷量，單位為庫(kù)侖。通常，QG(TOT) 與 RDSON 成反比。因此，當(dāng)系統(tǒng)工程師選擇低 RDSON 的 SiC MOSFET 來(lái)降低高功率應(yīng)用中的導(dǎo)通損耗時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)拉電流（導(dǎo)通）和灌電流（關(guān)斷）的要求會(huì)相應(yīng)增加。
要降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)損耗相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐环矫?，需要盡快導(dǎo)通和關(guān)斷以盡可能減少開(kāi)關(guān)損耗；但另一方面，開(kāi)關(guān)速度提高可能會(huì)引發(fā)不必要的電磁干擾 (EMI)，而且預(yù)期的關(guān)斷過(guò)程中還可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的寄生導(dǎo)通意外，尤其是在半橋拓?fù)渲小?/p>
導(dǎo)通和關(guān)斷
為了操作 MOSFET 并開(kāi)始導(dǎo)通，須將一個(gè)電壓施加于柵極端子（相對(duì)于源極端子）。使用專用驅(qū)動(dòng)器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動(dòng)電流。柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)拉電流或灌電流來(lái)導(dǎo)通或關(guān)斷功率器件。為此，柵極驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)功率器件的柵極充電，直至達(dá)到導(dǎo)通電壓 VGS(ON)，或者驅(qū)動(dòng)電路使柵極放電至達(dá)到關(guān)斷電壓 VGS(OFF)。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)柵極電壓電平之間的轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動(dòng)器、柵極電阻和功率器件之間的環(huán)路中會(huì)產(chǎn)生一些功耗。
圖 1：柵極驅(qū)動(dòng)器的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通/關(guān)斷操作和電流路徑
如今，低功率和中功率應(yīng)用的高頻轉(zhuǎn)換器主要使用功率 MOSFET。不過(guò)，柵極驅(qū)動(dòng)器不僅適用于 MOSFET，還非常適合門(mén)道精深的新型寬禁帶器件，如 SiC MOSFET 和 GaN（氮化鎵）MOSFET。當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流快速導(dǎo)通/關(guān)斷電源開(kāi)關(guān)時(shí)，SiC MOSFET 是目前性能表現(xiàn)較佳的器件。
寄生導(dǎo)通
由于 di/dt 非常高，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器達(dá)到最小柵源電壓時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴。PCB 布局與封裝引起的寄生電容和電感進(jìn)一步加劇了這種情況，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生電感沖擊。這些電感沖擊可能會(huì)無(wú)意中使得電壓達(dá)到 VGS(TH)，導(dǎo)致在預(yù)期關(guān)斷期間意外導(dǎo)通，從而引發(fā)災(zāi)難性后果。這里以半橋應(yīng)用為例。當(dāng)?shù)瓦呴_(kāi)關(guān)關(guān)斷，而高邊開(kāi)關(guān)即將導(dǎo)通時(shí)，若電感沖擊導(dǎo)致電壓達(dá)到 VGS(TH)，低邊開(kāi)關(guān)便可能會(huì)意外導(dǎo)通，從而造成高邊和低邊開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生擊穿電流。這可能會(huì)造成高壓軌接地直接短路，從而導(dǎo)致 MOSFET 損壞。解決該問(wèn)題有一個(gè)非常有效的方法，就是在關(guān)斷時(shí)將電壓擺幅降至 0V 以下（至 -3V 甚至 -5V），從而給出一些余量或裕度，以防意外電感沖擊讓電壓達(dá)到 VGS(TH)。
開(kāi)關(guān)損耗
圖 2 中的圖表給出了負(fù)偏壓關(guān)斷的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即減少了 EOFF 開(kāi)關(guān)損耗。圖中，x 軸表示從 0V 到 -5V 的負(fù)偏壓關(guān)斷電壓，y 軸表示開(kāi)關(guān)損耗 (µJ)。事實(shí)上，在驅(qū)動(dòng)安森美 (onsemi) 專為高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用而設(shè)計(jì)的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時(shí)，通過(guò)將關(guān)斷電壓從 0V 降至 -3V，開(kāi)關(guān)損耗最多可減少 100 uJ。EOFF 從 0V 時(shí)的 350 µJ 降至 -3V 負(fù)偏壓關(guān)斷時(shí)的 250 µJ，由此令 EOFF 損耗減少 25%。請(qǐng)記住，每一毫厘進(jìn)步都意義非凡！
圖 2：負(fù)柵極偏壓
利用集成負(fù)偏壓來(lái)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)
安森美提供多種高電壓、高功率隔離式 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠在關(guān)斷期間支持“外部負(fù)偏壓”，讓系統(tǒng)向柵極驅(qū)動(dòng)器提供 -3V 或 -5V 電壓以生成負(fù)擺幅。
NCP(V)51752 是一個(gè)內(nèi)置負(fù)偏壓的新型隔離式 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器系列。由于 NCP(V)51752 內(nèi)置了負(fù)偏壓，系統(tǒng)不必向柵極驅(qū)動(dòng)器提供負(fù)偏壓軌，因而能夠節(jié)省系統(tǒng)成本。
NCP(V)51752 有以下四種微調(diào)選項(xiàng)可供選擇。其他選項(xiàng)可視需求提供。
1.NCP51752CDDR2G： 工業(yè)級(jí)，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-5V
2.NCP51752DBDR2G： 工業(yè)級(jí)，欠壓鎖定：17V，負(fù)偏壓：-3V
3.NCV51752CDDR2G： 汽車級(jí)，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-5V
4. NCV51752CBDR2G： 汽車級(jí)，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-3V
結(jié)論
NCP(V)51752 是 3.75kV、4.5A/9A 的單通道 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，支持電氣隔離（輸入至輸出），集成負(fù)偏壓：
1.減輕在預(yù)期關(guān)斷期間意外導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。
2.將 E
OFF 開(kāi)關(guān)損耗降低 25%。
3.節(jié)省系統(tǒng)成本。