近年來(lái)，基于寬禁帶材料的器件技術(shù)的不斷發(fā)展，碳化硅器件的實(shí)際工程應(yīng)用，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。相較傳統(tǒng)的硅基器件，碳化硅MOSFET具有較小的導(dǎo)通電阻以及很快的開(kāi)關(guān)速度，與硅IGBT相比，導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗均有明顯減小。SiC MOSFET器件的使用，給實(shí)際系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高，以及系統(tǒng)體積的進(jìn)一步減小帶來(lái)了希望。尤其在光伏逆變與電池充電等對(duì)效率和體積均有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，SiC MOSFET的工程使用已成為炙手可熱的話題。

目前，關(guān)于SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)特性以及針對(duì)此種新型材料器件的可靠性研究，已相當(dāng)廣泛。然而，作為控制開(kāi)關(guān)功率器件開(kāi)通關(guān)斷的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)也成為是否可以充分發(fā)揮SiC MOSFET特性優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于SiC產(chǎn)品與傳統(tǒng)硅IGBT或者M(jìn)OSFET參數(shù)特性上有所不同，并且其通常工作在高頻應(yīng)用環(huán)境中，為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)芯片，需要考慮如下幾個(gè)方面：

1. 驅(qū)動(dòng)電平與驅(qū)動(dòng)電流的要求

首先，由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開(kāi)關(guān)場(chǎng)合，其面對(duì)的由于寄生參數(shù)所帶來(lái)的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開(kāi)啟電壓較低，在實(shí)際系統(tǒng)中更容易因電路串?dāng)_發(fā)生誤導(dǎo)通，因此通常建議使用柵極負(fù)壓關(guān)斷。不同SiC MOSFET器件的柵極開(kāi)啟電壓參數(shù)列舉如圖1所示。

圖1 不同SiC MOSFET 柵極開(kāi)啟電壓參數(shù)比較

為了提高SiC MOSFET在實(shí)際工程實(shí)際中的易用性，各半導(dǎo)體廠家在SiC MOSFET設(shè)計(jì)之初，都會(huì)盡量調(diào)整參數(shù)的折中，使得SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)特性接近用戶所熟悉的傳統(tǒng)硅IGBT。然而，寬禁帶半導(dǎo)體器件有其特殊性，以英飛凌CoolSiC? 系列為例，從規(guī)格書(shū)與應(yīng)用指南可知，結(jié)合開(kāi)關(guān)頻率與壽命計(jì)算的綜合考量，在某些應(yīng)用中可以使用15V柵極開(kāi)通電壓，而柵極關(guān)斷電壓最低為-5V。當(dāng)我們將目光投向市面上其他品牌的SiC MOSFET器件，會(huì)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(dòng)芯片應(yīng)該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開(kāi)通和關(guān)斷電壓需求，至少需要驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達(dá)到25v。

雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅(qū)動(dòng)電流的大小與開(kāi)關(guān)器件工作速度密切相關(guān)，為適應(yīng)高頻應(yīng)用快速開(kāi)通關(guān)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(dòng)芯片，并且如果輸出脈沖同時(shí)兼具足夠快的上升和下降速度，則驅(qū)動(dòng)效果更加理想，這就意味著要求驅(qū)動(dòng)芯片的上升與下降時(shí)間參數(shù)都比較小。

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2． 滿足較短死區(qū)時(shí)間設(shè)定的要求

在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時(shí)間的設(shè)定是影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素。SiC MOSFET器件的開(kāi)關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT有了大幅提高，許多實(shí)際工程使用都希望能因此進(jìn)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(shè)計(jì)中需要較小的死區(qū)時(shí)間設(shè)定與之匹配，同時(shí)，選擇較短的死區(qū)時(shí)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(shí)間的計(jì)算，除了要考慮開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間，尤其是小電流下的開(kāi)關(guān)時(shí)間之外，驅(qū)動(dòng)芯片的傳輸延時(shí)也需要考量。尤其對(duì)于本身開(kāi)關(guān)速度較快的開(kāi)關(guān)器件，芯片的延時(shí)在死區(qū)設(shè)定的考量中所占的比重更大。另外，在隔離型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，通常采用的是一拖一的驅(qū)動(dòng)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(shè)定時(shí)一并考量。要滿足較小死區(qū)時(shí)間的要求，選擇驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，需要相應(yīng)的參考芯片本身傳輸延時(shí)時(shí)間參數(shù)，以及芯片對(duì)芯片的匹配延時(shí)。

3．芯片所帶的保護(hù)功能

1) 短路保護(hù)

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秒的短路耐受能力。可以利用器件本身的這一特性，在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中考慮短路保護(hù)功能，提高系統(tǒng)可靠性。

不同型號(hào)SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測(cè)方法，根據(jù)開(kāi)關(guān)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(méi)有明顯過(guò)渡，發(fā)生短路或過(guò)流時(shí)電流上升仍然很快，這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來(lái)進(jìn)行保護(hù)。

針對(duì)SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測(cè)速度快，響應(yīng)時(shí)間短的驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

此外，根據(jù)IGBT的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每次開(kāi)通時(shí)，需求設(shè)定一段消隱時(shí)間來(lái)避免由于開(kāi)通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時(shí)間的需要，又對(duì)本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路的PCB設(shè)計(jì)，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(kāi)啟電壓較低，加上其寄生電容小，它對(duì)驅(qū)動(dòng)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(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷。但同時(shí)，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負(fù)壓范圍較小，過(guò)大的負(fù)向電壓尖峰可能擊穿開(kāi)關(guān)管，某些廠家提出推薦較高的負(fù)壓關(guān)斷，甚至0v關(guān)斷。此種情況下，為保證器件在關(guān)斷期間不因米勒效應(yīng)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(dòng)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4. 芯片抗干擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅(qū)動(dòng)芯片，處于高頻應(yīng)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(píng)估驅(qū)動(dòng)芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)磁隔離型驅(qū)動(dòng)芯片抗擾性地測(cè)量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實(shí)際SiC MOSFE開(kāi)通和關(guān)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(dòng)SiC MOSFE的驅(qū)動(dòng)芯片抗擾度的技術(shù)參考。

綜上所述，為了在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮SiC MOSFET的高頻特性，需要選擇具有合適的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流，滿足短死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)的較小傳輸延時(shí)以及芯片之間匹配延時(shí)的驅(qū)動(dòng)芯片。同時(shí)，有效的保護(hù)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(dòng)芯片EiceDRIVER?系列的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了比較，全系列產(chǎn)品為用戶提供了各種個(gè)性化選擇。