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，SiCMOSFET的工程使用已成為炙手可熱的話題。

SiC最大的優(yōu)勢在于效率的提升，以汽車電力牽引逆變器為例，使用SiC MOSFET轉換效率會比硅基IGBT有5%~8%的續(xù)航提升，這也就意味著在相同的電池容量下，用SiC MOSFET的車輛可以減少5%~8%的電池配備。從成本角度來衡量，使用SiC器件還是具有一定經濟效益的。

因此，如何提升SiC器件的性能，也成為了備受關注的問題。在電路設計層面，柵極驅動電路作為功率器件與電源系統(tǒng)的通信橋梁，是驅動SiC功率器件的關鍵技術之一。因此，在器件選型和柵極驅動電路設計方面尤為重要。

一、柵極驅動器件選型

在柵極驅動電路驅動芯片選型方面，主要圍繞器件的共模抑制比、驅動能力、驅動延時、驅動電平等幾個維度進行考量。

首先，共模抑制比主要是針對功率管的開關頻率，因為碳化硅MOSFET會比傳統(tǒng)的硅基IGBT有著更高的開關速度。

通常情況下，硅基IGBT的開關頻率只有20KHz左右，在一些風電項目中使用的硅基IGBT可能會更低。而碳化硅MOSFET在硬開關電路中就可以做到100~200KHz，如果應用在軟開關電路中，這一數值還會進一步地提升。因此，在柵極驅動環(huán)路設計中，建議使用共模瞬變抗擾度高于100V/ns的驅動芯片。

在進行芯片驅動能力選型時，主要考慮驅動電流的大小，以此確保功率管在工作過程中導通和關斷的可靠性。同時，基于碳化硅器件開關速度較高的電氣特性，在進行器件選型時，驅動延時也是比較重要的一項指標，一般情況下推薦使用延時更低（200ns以下）的驅動芯片。

另外，碳化硅MOSFET驅動電平的選擇也是一個不容忽視的問題，主要是由于目前碳化硅MOSFET驅動電平沒有一個統(tǒng)一的標準對廠商進行制約，導致了不同廠商的每一代產品之間，因為生產工藝，以及參數設計的不同，或多或少都存在著一定的差異，因此，在進行碳化硅MOSFET選型時要注意驅動電平參數。

二、柵極驅動電路設計

在驅動電路設計方面，想要提升碳化硅MOSFET的性能，首先需要考慮如何減小驅動回路中的雜散電感。因為主動管在開關的過程中，會因為雜散電感對被動管，造成一定的影響。因此，在PCB布線的過程中，除了需要使用ESR和ESL的除膜電容進行就近解耦之外，還需要縮小設計環(huán)路的面積，以此減小驅動回路中的雜散電感。

其次，在驅動環(huán)路設計過程中，還需要為電路并聯一個輔助電容，在具備充足阻尼比的前提下，可以獲得一個合適的持續(xù)時間和較短的振蕩過渡過程，以保證功率管開關的可靠性。

最后，在驅動環(huán)路中，還需要設計一個合適的驅動電阻，以此抑制柵源電壓的干擾尖峰和干擾振蕩，防止因為驅動回路截止頻率過低，導致柵源電壓變化過緩增大開關損耗，從而達到提升功率管性能的目的。

在碳化硅MOSFET的柵極驅動電路設計中，不僅僅需要像傳統(tǒng)電路設計一樣，消除環(huán)路中的雜散電感，還需要考慮驅動電阻與并聯電容該如何設計，才能在功率管在導通和關斷時，損耗達到最小。

三、驅動電平與驅動電流的要求

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列舉如下圖所示：

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，都會盡量調整參數的折中，使得SiC MOSFET的驅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，所需要的驅動功率相對于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅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，則驅動效果更加理想，這就意味著要求驅動芯片的上升與下降時間參數都比較小。

四、滿足較短死區(qū)時間設定的要求

在橋式電路結構中，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，在隔離型驅動設計中，通常采用的是一拖一的驅動方式，因此，芯片與芯片之間的參數匹配差異，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，選擇驅動芯片時，需要相應的參考芯片本身傳輸延時時間參數，以及芯片對芯片的匹配延時。

五、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，響應時間短的驅動芯片進行保護電路設計。

此外，根據IGBT的設計經驗，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)，需要驅動芯片的DESAT相關參數具有更高的精度，以實現有效的保護設計。同時，也需要更優(yōu)化的驅動電路的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，它對驅動電路寄生參數的影響也更加敏感，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動芯片進行設計。

六、芯片抗干擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅動芯片，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。常用于評估驅動芯片抗擾度的參數為CMTI?，F行標準中，對磁隔離型驅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參數可以作為衡量用于驅動SiC MOSFE的驅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動電壓和驅動電流，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。下表將英飛凌磁隔離驅動芯片EiceDRIVER?系列的相關參數進行了比較，全系列產品為用戶提供了各種個性化選擇。

七、SiC MOSFET負電壓偏置

SiC MOSFET的負電壓偏置是一種通過施加反向電壓來確保器件可靠關斷的技術，主要應用于防止誤開通和降低開關損耗。所以，通過合理設計負偏置電路，可顯著提升SiC MOSFET的可靠性和效率，降低長期運行損耗問題，以下就是本章節(jié)我要跟大家分享的內容：

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八、SiC MOSFET驅動負壓關斷的典型電路

SiC MOSFET驅動負壓關斷模式在很多應用場景中會影響器件開關的可靠性。跟Si功率器件比較，SiC MOSFET開關速度較快、dv/dt高，容易造成柵極串擾。當柵極串擾電壓ΔVgs超過器件閾值電壓Vgs(th)時，器件將會存在誤開通風險。在這種情況下，SiC MOSFET容易損壞。因此在很多工況下，SiC MOSFET需要負壓關斷用以確保系統(tǒng)安全。

如下圖所示，上管MOS關斷時候，橋臂中點電位下降，dv/dt通過下管的米勒效應在下管柵極負向串擾電壓。上管開通時候，橋臂中點電位上升，dv/dt通過下管的米勒效應在下管柵極正向串擾ΔVgs。當ΔVgs>Vgs(th)，上下功率管橋臂直通，造成器件損壞。同樣原理，下管開通和關斷也會在上管柵極分別造成正向和負向串擾。

另外，SiC MOSFET的開啟閾值電壓隨溫度的升高而下降。因此，在柵極串擾作用下，高溫下器件柵極串擾電壓造成橋臂直通的風險進一步加大。因此，為防止SiC MOSFET的誤導通，通常需要負壓驅動。但是，目前大部分驅動芯片不支持負壓驅動。本文將推薦兩種驅動電路方案，基于單電源驅動芯片就可以實現負壓關斷。

下圖為基于單電源驅動芯片的驅動電路方案一。VDD1電源通過電阻R1//R2給電容C8//C9充電，電容兩端電壓快速上升到D4反向擊穿電壓以后，D4的兩端電壓穩(wěn)定，負壓VDD2隨之建立。VDD1對地PGND-HS的電壓幅值大小等于正向驅動電壓幅值和關斷負壓絕對值之和。驅動芯片6腳輸出PWM驅動信號。R6為開通電阻，R6//R8為關斷電阻。SiC MOSFET的柵極通過驅動芯片內部集成上拉開關管接到芯片電源（VDD1）或者下拉開關管接到芯片地（PGND-HS）。

D4的穩(wěn)壓值選擇取決于驅動負壓大小。安徽芯塔電子第二代SiC MOSFET典型關斷負壓為-5V，因此D4穩(wěn)壓值的選取5V，例如VISHAY PTV4.7B（D0-220A封裝，Vz=5V)。根據穩(wěn)壓管推薦的反向工作電流來計算限流電阻R1和R2。選取Iz=40mA，那么R1//R2=（25V-5V）/ 40mA=500 ohm。經計算R1和R2消耗功耗0.8W， 可以選取兩個1Kohm/1W SMD電阻（封裝為2512）并聯。

在某些應用場景下，輔助電源無閉環(huán)電壓控制，VDD1電源瞬態(tài)過壓很高。這種工況下限流電阻和穩(wěn)壓管的功耗需要仔細核算，避免器件過熱損壞。

上圖中的驅動方案中，VDD1輔助電源一旦有輸出，負壓VDD2瞬間就可以建立。換而言之，負壓VDD2可以在PWM驅動信號使能之前建。因此，SiC MOSFET的每個開關周期都是負壓關斷，驅動可靠。

下圖的驅動電路方案二是利用電容C1實現負壓關斷。C1比SiC MOSFET輸入電容要大很多，以確保最長的關斷時間內，C1在放電的情況下仍舊可以提供足夠的負壓。只有在PWM驅動信號使能條件下，VDD1通過驅動芯片內部上拉管子給C1充電。由于C1兩端電壓建立需要若干個開關周期。

因此，SiC MOSFET在最初始的若干個PMM周期關斷負壓不足，如下圖所示。開關頻率越高，C1充電到穩(wěn)定負壓的時間越長，負壓關斷不足的PWM周期數越多，驅動串擾隱患加劇。

C1電容兩端負壓建立時間和電壓紋波受開關頻率和占空比的影響。C1電容增加，電容兩端電壓紋波減小，可是負壓建立時間延長。因此，根據具體開關頻率和占空比變化范圍，可以優(yōu)化電容C1和電阻R3，調節(jié)充放電時間常數，以平衡負壓建立時間和電壓紋波兩個性能指標。

基于上圖（方案二）的驅動電路，利用LTspice對電路進行仿真以優(yōu)化電路參數。柵極驅動信號和C1電壓仿真結果如圖4和圖5所示。在開關頻率100KHZ和0.1占空比工況下，電容C1兩端負壓40us左右（大概5個PWM周期）就建立起來，電容C1在一個開關周期內紋波電壓0.1V。綜上所述，開關頻率過高的時候，電路方案二不建議使用。保持同樣100KHz開關頻率，當占空比提升到0.9時候，電容C1兩端負壓3us-4us就建立起來，如下圖所示：

從兩種上述電路負壓關斷驅動方案的分析對比可知，兩種電路方案成本相當，但第一種方案可以實現全PWM開關周期的額定負壓關斷，在SiC MOSFET驅動中使用更普遍。

九、驅動SiC MOSFET的影響因素

SiC MOSFET在電力電子行業(yè)中的應用越來越廣泛。SiC MOSFET很多性能與傳統(tǒng)Si基器件不同，對驅動設計也提出了更高的要求。為了最 大化利用SiC MOSFET的性能優(yōu)勢，驅動芯片的選擇需要著重考慮如下幾個方面：

1、更高的軌到軌電壓

IGBT的驅動電壓一般都是15V，而SiC MOSFET的推薦驅動電壓各品牌并不一致，15V、18V、20V都有廠家在用。更高的門極驅動電壓有助于降低器件導通損耗，SiC MOSFET的導通壓降對門極電壓的敏感性比IGBT更高，所以對SiC MOSFET使用高驅動電壓的收益更大。為了防止寄生導通，SiC MOSFET往往還需要負壓關斷。如果一個SiC MOSFET使用了Vgs=-5V~20V的門極驅動電壓，那么就要求前級驅動芯片的輸出電壓至少是25V，再加一定的余量，一般取35V~40V之間比較合適。

2、更高的共模抑制比

SiC MOSFET是高頻器件，不管是上升還是下降過程中的電壓變化率dv/dt都遠大于IGBT，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅動芯片抗擾度的參數為共模抑制比CMTI，是衡量驅動芯片是否適用于SiC MOSFE的標準之一。

3、更高的絕緣等級

拓撲結構的不斷發(fā)展需要引入新的電壓等級。比如，2kV SiC MOSFET可將1500VDC光伏系統(tǒng)的拓撲結構從三電平簡化至兩電壓，能夠提高系統(tǒng)效率，但是隨著電壓的提升，只有基本絕緣或者功能絕緣的驅動芯片明顯不適用。需要驅動芯片具有加強絕緣能力。

4、抑制誤觸發(fā)

SiC MOSFET閾值電壓相對IGBT低很多，英飛凌閾值電壓大約是4.5V，而其他很多SiC MOSFET閾值電壓僅有2~3V。再加上SiC MOSFET開關時dv/dt很高，SiC MOSFET寄生導通的風險就格外嚴峻。這就要求驅動芯片最好具有米勒鉗位功能。

5、更快的短路保護響應時間

SiC MOSFET芯片面積小，電流密度高，發(fā)熱集中，所以SiC MOSFET的短路時間大大小于IGBT，英飛凌CoolSiC? MOSFET單管保證至多3us的短路時間，而模塊保證至多2us的短路時間。在這么短的時間內識別出短路并關斷功率器件，這對驅動芯片提出了非常高的要求。

總結一下

總的來說，柵極驅動器是連接控制信號與SiC MOSFET的橋梁，它通過電荷管理、電壓放大、寄生抑制和保護功能，確保了SiC MOSFET的高效可最運行。而隨著電動汽車的電壓持續(xù)提高，以及SiC的進一步普及，柵極驅動器也將得到更大的應用空間。

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審核編輯 黃宇