近年來，基于寬禁帶材料的器件技術的不斷發(fā)展，碳化硅器件的實際工程應用，受到了越來越廣泛的關注。相較傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅MOSFET具有較小的導通電阻以及很快的開關速度，與硅IGBT相比，導通損耗和開關損耗均有明顯減小。SiC MOSFET器件的使用，給實際系統(tǒng)效率的進一步提高，以及系統(tǒng)體積的進一步減小帶來了希望。尤其在光伏逆變與電池充電等對效率和體積均有較高要求的應用場合，SiC MOSFET的工程使用已成為炙手可熱的話題。
目前，關于SiC MOSFET的優(yōu)勢特性以及針對此種新型材料器件的可靠性研究，已相當廣泛。然而，作為控制開關功率器件開通關斷的重要組成部分，驅(qū)動設計也成為是否可以充分發(fā)揮SiC MOSFET特性優(yōu)勢的關鍵環(huán)節(jié)。
由于SiC產(chǎn)品與傳統(tǒng)硅IGBT或者MOSFET參數(shù)特性上有所不同，并且其通常工作在高頻應用環(huán)境中， 為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅(qū)動芯片，需要考慮如下幾個方面：
1. 驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求
首先，由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關場合，其面對的由于寄生參數(shù)所帶來的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實際系統(tǒng)中更容易因電路串擾發(fā)生誤導通，因此通常建議使用柵極負壓關斷。不同SiC MOSFET器件的柵極開啟電壓參數(shù)列舉如圖1所示。
圖1 不同SiC MOSFET 柵極開啟電壓參數(shù)比較
為了提高SiC MOSFET在實際工程實際中的易用性，各半導體廠家在SiC MOSFET設計之初，都會盡量調(diào)整參數(shù)的折中，使得SiC MOSFET的驅(qū)動特性接近用戶所熟悉的傳統(tǒng)硅IGBT。然而，寬禁帶半導體器件有其特殊性，以英飛凌CoolSiC? 系列為例，從規(guī)格書與應用指南可知，結(jié)合開關頻率與壽命計算的綜合考量，在某些應用中可以使用15V柵極開通電壓，而柵極關斷電壓最低為-5V。當我們將目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，會發(fā)現(xiàn)各家推薦的柵極工作電壓也有所差異。因此，理想的適用于SiC MOSFET的驅(qū)動芯片應該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開通和關斷電壓需求，至少需要驅(qū)動芯片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達到25v。
雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅(qū)動功率相對于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅(qū)動電流的大小與開關器件工作速度密切相關，為適應高頻應用快速開通關斷的需求，需要為SiC MOS選擇具有較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片，并且如果輸出脈沖同時兼具足夠快的上升和下降速度，則驅(qū)動效果更加理想，這就意味著要求驅(qū)動芯片的上升與下降時間參數(shù)都比較小。
2． 滿足較短死區(qū)時間設定的要求
在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時間的設定是影響系統(tǒng)可靠運行的一個關鍵因素。SiC MOSFET器件的開關速度較傳統(tǒng)IGBT有了大幅提高，許多實際工程使用都希望能因此進一步提高器件的工作頻率，從而提高系統(tǒng)功率密度。這也意味著系統(tǒng)設計中需要較小的死區(qū)時間設定與之匹配，同時，選擇較短的死區(qū)時間，也可以保證逆變系統(tǒng)具有更高的輸出電壓質(zhì)量。
死區(qū)時間的計算，除了要考慮開關器件本身的開通與關斷時間，尤其是小電流下的開關時間之外，驅(qū)動芯片的傳輸延時也需要考量。尤其對于本身開關速度較快的開關器件，芯片的延時在死區(qū)設定的考量中所占的比重更大。另外，在隔離型驅(qū)動設計中，通常采用的是一拖一的驅(qū)動方式，因此，芯片與芯片之間的參數(shù)匹配差異，也需要在死區(qū)設定時一并考量。要滿足較小死區(qū)時間的要求，選擇驅(qū)動芯片時，需要相應的參考芯片本身傳輸延時時間參數(shù)，以及芯片對芯片的匹配延時。
3．芯片所帶的保護功能
1) 短路保護
SiC MOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET在短路特性上有所差異，以英飛凌CoolSiC? 系列為例，全系列SiC MOSFET具有大約3微秒短路耐受能力。可以利用器件本身的這一特性，在驅(qū)動設計中考慮短路保護功能，提高系統(tǒng)可靠性。
不同型號SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護響應時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據(jù)開關管輸出特性，SiC MOSFET漏源極電壓大小可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒有明顯過渡，發(fā)生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護電路需要更快的響應速度來進行保護。
針對SiC MOSFET的短路保護需求，需要選擇檢測速度快，響應時間短的驅(qū)動芯片進行保護電路設計。
此外，根據(jù)IGBT的設計經(jīng)驗，每次開通時，需求設定一段消隱時間來避免由于開通前期的Vce電壓從高位下降所導致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護電路設計提出更嚴苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動芯片的DESAT相關參數(shù)具有更高的精度，以實現(xiàn)有效的保護設計。同時，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動電路的PCB設計，保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。
2) 有源米勒箝位
前文提到，SiC MOSFET的柵極開啟電壓較低，加上其寄生電容小，它對驅(qū)動電路寄生參數(shù)的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發(fā)，因此常推薦使用負壓進行關斷。但同時，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負壓范圍較小，過大的負向電壓尖峰可能擊穿開關管，某些廠家提出推薦較高的負壓關斷，甚至0v關斷。此種情況下，為保證器件在關斷期間不因米勒效應發(fā)生誤觸發(fā)，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動芯片進行設計。
4. 芯片抗干擾性（CMTI）
配合SiC MOSFET使用的驅(qū)動芯片，處于高頻應用環(huán)境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI。現(xiàn)行標準中，對磁隔離型驅(qū)動芯片抗擾性地測量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實際SiC MOSFE開通和關斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數(shù)可以作為衡量用于驅(qū)動SiC MOSFE的驅(qū)動芯片抗擾度的技術參考。
綜上所述，為了在實際應用中發(fā)揮SiC MOSFET的高頻特性，需要選擇具有合適的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流，滿足短死區(qū)時間設計的較小傳輸延時以及芯片之間匹配延時的驅(qū)動芯片。同時，有效的保護功能與抗干擾性，可以滿足更高的系統(tǒng)可靠性要求。表1將英飛凌磁隔離驅(qū)動芯片EiceDRIVER?系列的相關參數(shù)進行了比較，全系列產(chǎn)品為用戶提供了各種個性化選擇。
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