雖然 SiC 提供了一系列優(yōu)勢，包括更快的開關(guān)和更高的效率，但它也帶來了一些設(shè)計挑戰(zhàn)，可以通過選擇正確的柵極驅(qū)動器來解決。

碳化硅 (SiC) MOSFET 憑借一系列優(yōu)于硅基開關(guān)的優(yōu)勢，在功率半導(dǎo)體行業(yè)取得了重大進展。這些包括更快的開關(guān)、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，從而使設(shè)計更小、更輕。這幫助他們在一系列汽車和工業(yè)應(yīng)用中找到了家。但是像 SiC 等寬帶隙 (WBG) 器件也帶來了設(shè)計挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI)、過熱和過壓條件，這些可以通過選擇正確的柵極驅(qū)動器來解決。

由于柵極驅(qū)動器用于驅(qū)動功率器件，因此它是功率難題的關(guān)鍵部分。確保使用 SiC 進行優(yōu)化設(shè)計的一種方法包括首先仔細考慮您選擇的柵極驅(qū)動器。同時，它需要仔細審視您的設(shè)計的關(guān)鍵要求——效率、密度，當(dāng)然還有成本——因為根據(jù)應(yīng)用要求，總是需要權(quán)衡取舍。

盡管 SiC 具有固有的優(yōu)勢，但定價仍然是采用的障礙。根據(jù)電源 IC 制造商的說法，如果您在零件比較的基礎(chǔ)上查看 SiC 與硅，那么除非設(shè)計人員查看解決方案的總成本，否則將更加昂貴且難以證明其合理性。

因此，讓我們首先討論 SiC 與硅 MOSFET 或 IGBT 的應(yīng)用、優(yōu)勢和權(quán)衡。SiC FET 具有更低的導(dǎo)通電阻（由于更高的擊穿電壓）、更高的飽和速度以實現(xiàn)更快的開關(guān)，以及 3 倍高的帶隙能量，從而導(dǎo)致更高的結(jié)溫以改善冷卻，以及 3 倍高的熱導(dǎo)率，這意味著進入更高的功率密度。

業(yè)界一致認為，低壓 Si MOSFET 和 GaN 在 <700-V 及以上范圍內(nèi)發(fā)揮作用，而 SiC 在低功率范圍內(nèi)有一點重疊。

SiC 主要取代超過 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 類型應(yīng)用，在約 11 kW 時更是如此，這對于 SiC 來說更像是一個甜蜜點，這意味著高電壓操作、低開關(guān)損耗和更高的Microchip Technology 分立和電源管理數(shù)字柵極驅(qū)動器 (AgileSwitch) 產(chǎn)品線總監(jiān) Rob Weber 表示，開關(guān)頻率功率級。

他說，這允許使用更小的濾波器和無源元件，并減少冷卻需求。“我們談?wù)摰氖窍鄬τ?IGBT 的系統(tǒng)級優(yōu)勢，最終是尺寸、成本和重量的減小。

“從 aa 損耗的角度來看，您可以將損耗降低多達 70%，例如，在 30 kHz 的開關(guān)頻率下，這是碳化硅在擊穿場、電子飽和速度方面的一些不同特性的結(jié)果、帶隙能和熱導(dǎo)率，”韋伯說。

SiC 與 Si 和 IGBT（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，工程師關(guān)注的基準是效率，這會導(dǎo)致改進水平，但在 SiC 中越來越多地發(fā)生的另一件事是系統(tǒng)級優(yōu)于 IGBT 的優(yōu)勢。

“使用碳化銀，您可以在更高的開關(guān)頻率下工作，這使您可以在直接功率級周圍擁有更小的外部組件，例如濾波器，它們是大而重的磁性設(shè)備；由于較低的開關(guān)損耗，在較高溫度下運行或在較低溫度下運行；用風(fēng)冷系統(tǒng)代替液冷系統(tǒng)，并縮小散熱器的尺寸，”他解釋說。

他說，這種組件尺寸和重量的減少意味著成本更低，這意味著碳化硅不僅能提高效率。

然而，在部件與部件之間的價格比較中，碳化硅仍然比傳統(tǒng)的硅基 IGBT 貴。“每個制造商的 SiC 模塊成本都會更高，但是當(dāng)您查看整個系統(tǒng)時，SiC 系統(tǒng)的成本更低，”Weber 說。

在 Weber 分享的一個示例中，一位客戶在使用 SiC MOSFET 時能夠?qū)⑾到y(tǒng)成本降低 6%。

一旦設(shè)計師決定改用 SiC，他們還需要權(quán)衡利弊。功率半導(dǎo)體制造商同意必須處理噪聲、EMI 和過壓等“二次效應(yīng)”。

“當(dāng)你更快地切換這些設(shè)備時，你可能會產(chǎn)生更多的噪聲，這會轉(zhuǎn)化為 EMI，”Weber 說。“此外，雖然 SiC 在較高電壓下表現(xiàn)出色，但它在短路條件下的穩(wěn)健性也遠不如 IGBT，而且您的電壓會發(fā)生變化，因此會出現(xiàn)過壓情況，這導(dǎo)致一些設(shè)計人員使用更高的額定電壓SiC 器件，因此它們可以更好地控制過壓和過熱。”

這就是柵極驅(qū)動器的選擇發(fā)揮重要作用的地方。SiC 對電源電壓、快速短路保護和高 dv/dt 抗擾度等特性有獨特的要求。

選擇碳化硅柵極驅(qū)動器

在為 SiC 開關(guān)選擇合適的柵極驅(qū)動器時，與基于硅的設(shè)備相比，在考慮電源解決方案時需要一種新的思維方式。要查看的關(guān)鍵領(lǐng)域包括拓撲、電壓、偏置以及監(jiān)控和保護功能。

Weber 說，柵極驅(qū)動器的選擇至關(guān)重要，從歷史上看，使用順序方法來選擇柵極驅(qū)動器是可以的。“在使用 SiC 之前，您會首先選擇 IGBT，然后是柵極驅(qū)動器，然后是母線和電容器等，”Weber 說。“完全變了。您必須查看您正在構(gòu)建的整個整體解決方案以及每一步的權(quán)衡，而不是采用 IGBT 的這種順序方法。這對很多客戶都是一種教育。”

此外，還有多種用于 SiC 的柵極驅(qū)動器，其特性和集成度（和價格）范圍廣泛，針對簡單到更復(fù)雜的設(shè)計。

德州儀器 (TI) 高壓電源系統(tǒng)工程主管 Lazlo Balogh 表示，拓撲結(jié)構(gòu)、功率電平、保護和功能安全要求以及所用 SiC 器件的代數(shù)將決定應(yīng)用所需的驅(qū)動器類型。

例如，可能需要大量額外電路的非隔離驅(qū)動器適用于更簡單的應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，并非所有東西都必須集成到驅(qū)動器中，他說。

他補充說，還有一些隔離驅(qū)動器可以處理負偏置和隔離問題，但仍需要在系統(tǒng)中進行某種監(jiān)控，直到提供進一步集成的設(shè)備，例如監(jiān)控和保護電路以及汽車應(yīng)用的功能安全。

“以正確方式部署 SiC 的清單是查看拓撲結(jié)構(gòu)以及您必須驅(qū)動的設(shè)備類型，然后選擇柵極驅(qū)動器、優(yōu)化偏置、確定需要哪種保護，然后優(yōu)化布局，”巴洛格說。

從驅(qū)動器的角度來看，它具有正確的偏置，因此具有正確的電壓能力，無論您需要隔離式還是非隔離式柵極驅(qū)動器，需要多少保護，這與集成級別 [保護和安全] 或如何他補充說，需要很多額外的電路。

Balogh 說，稍微阻礙 SiC 的因素之一是認識到由于更高的開關(guān)速度，它需要放入消除源電感的封裝中，這通常是通過開爾文源連接來完成的。“源電感可能很糟糕，會導(dǎo)致大量振鈴和額外的功率損耗，因為它會減慢開關(guān)動作。”

開爾文源連接（來源：德州儀器公司）

“這是布局工程師成為您最好的朋友的地方，因為您確實必須查看布局以減輕振鈴并針對高速切換對其進行優(yōu)化，”Balogh 說。他補充說，這包括最大限度地減少走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并通過選擇正確的組件來適當(dāng)?shù)嘏月穂開關(guān)電流路徑和寬頻帶]。

Balogh 說，真正重要的是將驅(qū)動程序連接到開關(guān)。他說，由于雜散電感會增加開關(guān)損耗，因此您必須將驅(qū)動器的接地直接連接到電源開關(guān)的源極。

德州儀器 (TI) 提供了許多參考板/設(shè)計，使客戶能夠接近他們的性能要求。Balogh 說，總有一些權(quán)衡取舍，英飛凌可以幫助他們根據(jù)自己的需求優(yōu)化設(shè)計，例如他們是否需要滿載時的峰值效率。他的建議是：如果您對驅(qū)動 WBG 有任何疑問，請閱讀應(yīng)用說明并聯(lián)系應(yīng)用工程師。

Texas Instruments 提供一系列 Si 和 IGBT 柵極驅(qū)動器，包括 UCC21710、UCC21732、UCC21750。這些是具有集成保護和傳感功能的隔離式柵極驅(qū)動器。這些器件提供快速檢測時間以防止過流事件，同時確保系統(tǒng)安全關(guān)閉。

保護功能（來源：德州儀器）

英飛凌科技區(qū)域應(yīng)用工程師 Mladen Ivankovic 表示，在選擇 SiC MOSFET 時，要問的第一個關(guān)鍵問題是“該組件需要單極驅(qū)動還是雙極驅(qū)動”。

市場上有快速而強大的驅(qū)動器，既可以驅(qū)動 Si 也可以驅(qū)動 SiC，但人們在從 Si 轉(zhuǎn)向 SiC 時需要謹慎的是如何驅(qū)動它，因為硅是用 12 伏的典型電壓驅(qū)動的，Ivankovic說。“你使用 12-V 來開啟和使用 0V 來關(guān)閉，所以驅(qū)動硅元件或超級結(jié) MOSFETS 的驅(qū)動器的正常電壓范圍是 0 到 12 伏，這對于任何硅元件供應(yīng)商都是全面的，他加了。

另一方面，不同廠商的 SiC 器件會有不同的開啟/開啟電壓。例如，市場上有 SiC MOSFET，需要 +15 V 才能開啟，-4 V 才能關(guān)閉，或者 +20 V 開啟，-2 或 -5 V 關(guān)閉，Ivankovic說。“這需要一個能夠使用正負電壓的驅(qū)動器。”

但使用英飛凌 SiC，您只需要更寬的電壓范圍，他說。“因此，不是 0 到 12 V，您需要用 0 到 18 V 驅(qū)動它，并且您可以使用用于 Si 或 SiC 的相同驅(qū)動器。”

Ivankovic 說，因此您必須小心選擇是需要單極柵極驅(qū)動器還是需要正負柵極驅(qū)動器才能正確驅(qū)動組件。

英飛凌最近推出了適用于一系列工業(yè)應(yīng)用的EiceDRIVER X3 增強型模擬 (1ED34xx) 和數(shù)字 (1ED38xx) 柵極驅(qū)動器 IC。這兩個系列均設(shè)計用于分立和模塊封裝中的 IGBT 以及 Si 和 SiC MOSFET。1ED34xx 通過外部電阻器提供可調(diào)節(jié)的去飽和濾波時間和軟關(guān)斷電流，1ED38xx 為多個參數(shù)提供 I2C 可配置性，包括可調(diào)控制和保護功能，例如短路保護、軟關(guān)斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關(guān)斷和兩級關(guān)斷 (TLTO)。

英飛凌的 EiceDRIVER 1EDBx275F 是一系列單通道隔離式柵極驅(qū)動器 IC，旨在驅(qū)動 Si、SiC 和 GaN 功率開關(guān)。（來源：英飛凌科技）

可配置的數(shù)字柵極驅(qū)動器

許多領(lǐng)先的電源 IC 制造商已經(jīng)開發(fā)了獨特的 SiC 柵極驅(qū)動器技術(shù)和解決方案，以解決一些二次效應(yīng)，并最大限度地發(fā)揮轉(zhuǎn)向 WBG 技術(shù)的優(yōu)勢。

例如，Microchip 在其 AgileSwitch 驅(qū)動程序中采用數(shù)字方法，其中包括一種稱為“增強開關(guān)”的獨特技術(shù)。該技術(shù)的一個關(guān)鍵要素是可配置的開啟/關(guān)閉，提供一系列步驟來控制電壓電平和這些電壓電平的時間。這允許設(shè)計人員通過軟件以數(shù)字方式配置開啟/關(guān)閉配置文件，無需更改硬件。該技術(shù)還包括額外級別的故障監(jiān)控檢測和短路響應(yīng)。

Microchip 聲稱有重大改進：開關(guān)損耗降低 50%，電壓過沖降低 80%。

“傳統(tǒng)的模擬方法當(dāng)然適用于硅開關(guān)，其中許多次級效應(yīng)在驅(qū)動慢速 IGBT 時不是問題，但碳化硅是一種完全不同的動物，”Weber 說。

Weber 表示，數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵要素之一是能夠非常快速地保護短路狀況，然后以安全的方式對其做出響應(yīng)。

數(shù)字柵極驅(qū)動器的進步（來源：Microchip Technology）

Microchip 最近推出了其第 2 代數(shù)字柵極驅(qū)動器，為第一代器件增加了新的控制水平。可配置的柵極驅(qū)動器可用于任何供應(yīng)商的 SiC MOSFET。

MOSFETS 的差異與開啟和關(guān)閉電壓有關(guān)，因此

Weber 說，即使公司與公司之間可能具有不同的正負電壓，也能夠?qū)?+/- 電壓電平進行編程，這些都可以通過柵極驅(qū)動器進行配置。

AgileSwitch 可配置性（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，客戶已經(jīng)能夠?qū)⑺麄兊拈_發(fā)周期和開發(fā)時間縮短多達六個月。“你可以使用軟件來做你過去用焊槍或電路板重新旋轉(zhuǎn)做的事情的想法是一種不同的心態(tài)。但您知道，對于開始采用它的客戶來說，他們認為它改變了游戲規(guī)則。”

他還指出，它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)的時候。“當(dāng)供應(yīng)可用時，公司將能夠在供應(yīng)商之間轉(zhuǎn)移。”

Microchip 在一系列柵極驅(qū)動器板產(chǎn)品中實現(xiàn)了 ASD2 數(shù)字柵極驅(qū)動器 IC，這些產(chǎn)品被稱為柵極驅(qū)動器內(nèi)核 - 帶有電源柵極驅(qū)動器的半橋設(shè)備，帶有微處理器和一定程度的可配置性和控制。該公司還支持與一系列適配器板或子卡的全行業(yè)兼容性，這些適配器板或子卡能夠使用 Microchip 和競爭對手提供的不同行業(yè)標準模塊類型。

數(shù)字柵極驅(qū)動器還允許設(shè)計人員針對當(dāng)今的應(yīng)用優(yōu)化 MOSFET，而不是優(yōu)化 5 年或 10 年，以解決開關(guān)隨時間或使用而退化的問題。

“對于我們的驅(qū)動器，客戶正在關(guān)注和感興趣的事情之一是能夠針對當(dāng)今的 MOSFET 進行優(yōu)化，其想法是隨著時間的推移，如果 MOSFET 確實性能下降，他們可以更改設(shè)置以優(yōu)化 MOSFET。通過這種方式，他們可以從今天的系統(tǒng)中獲得更高的效率，而不是通過為未來最壞的情況進行設(shè)計而放棄這種效率，”Weber 說。

他補充說，這可以在模擬解決方案中完成，并且總是有多種方法可以實現(xiàn)，但是開發(fā)解決方案的成本、權(quán)衡和時間是多少。

使用標準驅(qū)動程序

供應(yīng)商同意可以使用標準驅(qū)動器來控制 SiC 設(shè)備，但他們必須決定權(quán)衡的大小，而這種權(quán)衡通常需要額外的電路或更大的外部設(shè)備。例如，在使用標準驅(qū)動器時減少振鈴和過壓的一種方法是增加?xùn)艠O電阻器的尺寸。

Balogh 指出需要考慮的其他問題，例如保護功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開關(guān)和芯片上的熱點，這些都會對功率損耗、EMI 和尺寸產(chǎn)生影響。
此外，額外的電路通常比集成解決方案和專用 SiC 占用更多空間，因此存在很多負面影響，因此高端設(shè)計選擇專用 SiC 內(nèi)核驅(qū)動器，它考慮了更快的開關(guān)等因素、過壓條件以及圍繞噪聲和 EMI 的問題，他說。

“你總是可以使用標準的柵極驅(qū)動器，但你必須用額外的電路來補充它，這通常是一種權(quán)衡，”Balogh 同意道。

例如，對于小型高功率密度設(shè)計，可以使用 SOT23 封裝中的標準非隔離柵極驅(qū)動器，Balogh 說。他說，非隔離驅(qū)動程序不能直接適用，但可以做到，而且很多人都走這條路。

審核編輯：湯梓紅