本文為大家介紹氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導體器件用作電子開關的優(yōu)勢，以及如何權(quán)衡利弊。主要權(quán)衡因素之一是開關損耗，開關損耗會被高 di/dt 和 dv/dt 放大，造成電路噪聲。為了減少電路噪聲，需要認真考慮柵極電阻的選擇，從而不必延長死區(qū)時間而造成功率損耗。本文介紹選擇柵極電阻時的考慮因素，如脈沖功率、脈沖時間和溫度、穩(wěn)定性、寄生電感等。同時，將和大家探討不同類型的柵極電阻及其在該應用中的優(yōu)缺點。

寬帶隙半導體器件的優(yōu)勢

設計出色功效的電子應用時，需要考慮使用新型高性能氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術的器件。與電子開關使用的傳統(tǒng)硅解決方案相比，這些新型寬帶隙技術具有祼片外形尺寸小、導熱和熱管理性能優(yōu)異、開關損耗低等顯著優(yōu)勢，非常適合工業(yè)、醫(yī)療、通信和車載應用電源、驅(qū)動器和逆變器等空間受限的應用。

不過，設計需要考慮一些利弊關系，特別是開關損耗。例如，di/dt 和 dv/dt 提高，開關速度加快，電路頻率振蕩放大，使噪聲成為重要考慮因素。

電路設計中的考量因素

典型電路功能中，高邊 (HS) 和低邊 (LS) MOSFET 用作開關器件驅(qū)動電感負載。在 HS 開關導通，LS 開關關斷時，電流從電源 Vcc 流向電感器 Lo。反之，在 HS 開關關斷，LS 開關導通時，電感器電流繼續(xù)從接地端同步流向 Lo。導通/關斷狀態(tài)由柵極電壓定義，柵極電壓的變化影響柵極回路的充放電。開關時間和相關損耗取決于柵極電容通過柵極電流充放電的速度。柵極電流受驅(qū)動電壓柵極電阻和驅(qū)動電路整體寄生效應的影響(圖1a)。

圖1a：柵極驅(qū)動電路元件

為了避免同時導通/關斷，需要認真選擇柵極電阻解決方案，如高功率厚膜片式電阻、薄膜 MELF 或高功率背接觸電阻。這類解決方案不需要延長有效轉(zhuǎn)化為功率損耗的“死區(qū)時間”(HS 和 LS 開關導通之間的時間間隔)(圖1b)。

圖1b：同步降壓電路，帶“死區(qū)時間”的驅(qū)動信號

選擇柵極電阻技術的基本考慮因素主要包括脈沖功率、脈沖時間和溫度以及穩(wěn)定性。使用兩個柵極電阻時，通常建議導通柵極電阻值至少是關斷柵極電阻值的兩倍(圖1c)。重要的是注意關斷柵極電阻值，避免漏極(或 IGBT 情況下，集電極)電壓上升發(fā)生寄生導通。

圖1c：基礎柵極電路(獨立導通和關斷)

同時，還要考慮柵極電阻的阻值，阻值過高或過低都會發(fā)生損耗或振蕩。柵極電阻要求能夠承受短時間高峰負載，平均功耗隨頻率和占空比而增加。在功能上，電阻能夠?qū)ζ骷?nèi)部寄生電容放電并進行 Miller 充電。減小電壓過沖可以降低器件和驅(qū)動器的應力，減小寄生電感可以避免開關過程產(chǎn)生 VGS 振蕩。

為了盡量減少電路中的噪聲，縮短布線長度(減小寄生電感)很重要。因此，通常首選打線或表面貼裝柵極電阻。采用 IGBR 打線電阻的情況下，背接觸具有優(yōu)異導熱性，并最大限度減小器件與 PCB 之間的熱梯度。在連接、外形尺寸和燒結(jié)能力方面，IGBR 電阻在打線連接，小尺寸以及燒結(jié)能力方面的綜合性能可以讓其更靈活地內(nèi)置于高功率半導體模塊或封裝。這樣電阻可以在布局上非常接近開關器件，從而減少部分寄生元件，有助于降低電路噪聲。 柵極電阻的選型建議

柵極電阻涵蓋多種技術解決方案，包括高功率厚膜片式電阻 (a)、薄膜 MELF 電阻 (b) 和額定功率達 4 W 的薄膜襯底電阻 (c)。柵極電阻選型的其他考慮因素包括元件尺寸、精度、可靠性、元件與 PCB 之間的熱性能以及并聯(lián)寄生電感。

圖2. 柵極電阻類型

柵極電阻的阻值 (RG) 通常為 1 ? 至 100 ? 之間。選擇較低的 RG 值可以減少器件功耗 (EON, EOFF)，但也會導致驅(qū)動電流增加。寬帶半導體器件上升時間短，因此還要考慮柵極電阻的 RF 影響，平衡開關損耗與 EMI(電磁干擾)性能。如想減少 EMI，可使用更高阻值的電阻，延長開關上升時間，但這自然會增加開關損耗。

根據(jù)電源電路的電感和負載，不同電阻技術解決方案的最大工作電壓也是重要的考慮因素，因為開關過程會出現(xiàn)電壓脈沖。通過考慮所有這些因素，可以選擇適用的柵極電阻解決方案，滿足功效、可靠性和降噪方面的特定要求。

為滿足瞬態(tài)的高峰電流(可達到兩位數(shù)電流) 和高頻 (有時甚至瞬間達到 MHz )的要求，工作溫度對電阻就顯得尤為重要。高溫會造成阻值漂移并且漂移會隨著時間增加。阻值的長期穩(wěn)定性由器件結(jié)構(gòu)決定。

例如，與片式電阻的矩形電阻區(qū)域相比，MELF 電阻的圓柱體電阻區(qū)域面積擴大了 π 倍，可顯著提高抗脈沖性能。NiCr 之類穩(wěn)定薄膜材料也具有出色的抗脈沖負載性能。在空間受限的設計中，電源開關的相對位置很重要，因為熱量可從電源開關流入 PCB，從而影響柵極電阻的工作溫度。

如果您想充分利用寬帶隙半導體器件的功效優(yōu)勢，需要考慮柵極電荷 Qx、開關頻率、驅(qū)動峰值電流以及快速開關時開關的高準確性和穩(wěn)定性的具體要求，設計最佳柵極驅(qū)動電路。正確選擇具有相應技術和器件結(jié)構(gòu)的低阻值柵極電阻對于實現(xiàn)最佳電路效率至關重要。

作者介紹

Jorge Lugo

Vishay 高級市場開發(fā)經(jīng)理

Andrew Mason

Vishay 高級產(chǎn)品市場經(jīng)理

審核編輯：湯梓紅