SiC MOSFET驅動電壓的分析

tips:資料來自富昌電子，及各個模塊數(shù)據手冊。

1.常見的Vgs與Vgs(th)，以及對SiC MOSFET應用的影響

驅動電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)關系到SiC MOSFET在應用過程中的可靠性，功率損耗(導通電阻)，以及驅動電路的兼容性等。這是SiC MOSFET非常關鍵的參數(shù)，在設計過程中需要重點考慮。在不同的設計中，設置不同的驅動電壓會有更高的性價比。下圖列出幾個常見廠家部分SiC MOSFET的Vgs與Vgs(th)值作對比。

從上表可以發(fā)現(xiàn) SiC MOSFET 的門極閩值電壓小于硅基器件。另外有研究表明，SiC MOSFET 的門極值電壓與溫度負相關，溫度升高時 SiC MOSFET 門極閾值電壓下降明顯，相關實驗甚至證明 200°C時 SiC MOSFET門極閩值電壓跌落至 1.2V。因此，驅動芯片應該能嚴格控制關斷時 SiC MOSFET 的門極電壓尖峰，避免器件在關斷時誤導通。

驅動電壓與Si-MOSFET的區(qū)別：
SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅動電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高導通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導通電阻與Vgs的關系。

導通電阻從Vgs為20V左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅動，以充分獲得低導通電阻。也就是說，兩者的區(qū)別之一是驅動電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進行替換時，還需要探討柵極驅動器電路。

2.SiC MOSFET驅動電壓應該怎么設置？

驅動電壓高電平Vgs_on是選擇+12V、+15V、+18V還是+20V?

如上圖所示，SiC MOSFET 驅動電壓正向最大值一般都在20V~25V左右，推薦的工作電壓主要有+20V,+18V兩種規(guī)格，具體應用需要參考不同SiC MOSFET型號的數(shù)據手冊。由下圖所示，Vgs超過15V時，無論是導通內阻還是導通電流逐漸趨于平緩 (各家SiC MOSFET的數(shù)據手冊給出的參考標準不同，有的是Rds(on)與Vgs的曲線，有的是Id與Vgs的曲線)。

驅動電壓Vgs越高，對應的Rds(on)會越小，損耗也就越小。

建議設定Vgs時不能超過數(shù)據手冊給定的最大值，否則可能會造成SiC MOSFET永久損壞。

（1）對于推薦使用+18V或+20V 高電平驅動電壓的SiC MOSFET

新一代SiC MOS工藝的提升，部分SiC MOSFET推薦高電平驅動電壓為+18V。由下圖2所示，工藝的提升，使得Vgs從+18V到+20V的Rds(on)變化不大，導通損耗差別不明顯。

最新一代SiC MOSFET建議使用+18V驅動電壓。對降低驅動損耗以及減少Vgs過沖損壞更加有益。

（2）對于+15V 高電平可否驅動SiC MOSFET
在正常情況下，數(shù)據手冊上沒有推薦，不建議使用。但是考慮到與15V驅動的Si IGBT 兼容，需要經過計算導通損耗的增加，設計有足夠的散熱條件以及考慮到設備整體損耗時，也可以使用。
參考數(shù)據手冊中Vgs與Rds(on)的關系，可知門極電壓越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)會比標稱值大。

Vgs設置為+15V時，SiC MOSFET損耗會比標稱值大。
當然，具體參考數(shù)據手冊，也可以設置成+15V。

（3）對于+12V 電平可否驅動SiC MOSFET

工作原理與+15V驅動電壓同理，但是應用會更少，一般不推薦使用。但是一些特殊應用場景，例如在小功率高壓輔助電源應用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET。需要綜合考量，如果接受Rds(on)稍高的情況下，是可以使用的。
Vgs設置為+12V時，SIC MOSFET損耗會遠遠超過標稱值，計算損耗時應參考數(shù)據手冊中的Vgs=+12V時的Rdson。

3.驅動電壓低電平Vgs_off是選擇0V、-4V還是-5V，如何確定？

驅動電壓低電平的選擇要比高電平復雜的多，需要考慮到誤開通。

誤開通是由高速變化的dv/dt，通過米勒電容Cgd耦合到門極產生門極電壓變化，導致關斷時ΔVgs超過閾值電壓而造成的。因此誤開通不僅和閾值電壓Vgs(th)有關，還與dv/dt產生的電壓變化有關。

（1）對于-4V或-5V關斷電壓如何選擇?

首先參考SiC MOSFET的數(shù)據手冊上推薦的關斷電壓。再考慮門極電壓閾值裕度為
ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 當dv/dt趨于無窮大時，dv/dt產生的門極電壓變化為：
ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss。可知，當門極電壓閾值裕度ΔVgs_th大于dv/dt造成的門極電壓變化ΔVgs時，器件Vgs_off安全裕度越大，誤開通風險越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，導致導通損耗增加。

所以需要綜合考量計算ΔVgs_th 后，在實驗過程中實測ΔVgs，可以進一步提升實際應用的穩(wěn)定性和性能。

（2）對于0V關斷電壓的分析
雖然驅動電壓Vgs為0V時已經可以關斷SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能會導致SiC MOSFET誤導通，導致設備損壞，故一般不推薦使用。

當然如果是設計的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足夠大，并且充分考慮到ΔVgs對SiC MOSFET誤導通的影響下，可以根據自己的設計而定。

用0V關斷需要重點考慮dv/dt造成的ΔVgs以及環(huán)路等效電感，對誤導通的影響，在設置Vgs_off=0V時，才能讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

4.Vgs(th)漂移帶來的影響，以及影響Vgs(th)的因素

由于寬禁帶半導體SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半導體氧化層界面特性，會引起閾值電壓變化以及漂移現(xiàn)象。

（1）Vth漂移對應用的影響
長期來看，對于給定的Vgs, 閾值漂移的主要影響在于會增加Rds(on)。通常來說，增加 Rds(on)會增加導通損耗，進而增加結溫。在計算功率循環(huán)時，需要把這個增加的結溫也考慮進去。

如果開關損耗占比總損耗較高時，可以忽略Vgs(th) 漂移導致的開通損耗。

（2）Vth漂移對器件的基本功能不會被影響，主要有：
耐壓能力不會受影響；
器件的可靠性等級，如抗宇宙射線能力，抵抗?jié)駳獾哪芰Φ炔粫苡绊?#xff1b;
Vth漂移會對總的損耗有輕微影響；

（3）影響Vth漂移的參數(shù)主要包括：
開關次數(shù)，包括開關頻率與操作時間；
驅動電壓，主要是Vgs_off；

（4）以下參數(shù)對開關操作引起的Vth漂移沒有影響：

結溫；
漏源電壓，漏極電流；
dv/dt, di/dt；

在實際應用過程中，設置的Vgs電壓是對設備的可靠性，功率損耗以及驅動電路的兼容性等因素的綜合考慮。

理論計算只是設計參考的一部分，也可以考慮實際測量獲得真實的數(shù)據來修正設計參數(shù)。實際測量得到的ΔVgs，對設置Vgs_off會更有參考價值，并且會使得SiC MOSFET應用設計更加穩(wěn)定且充分利用其性能。
同時驅動電壓Vgs的設置還會受到驅動電阻Ron與Roff、驅動電流以及驅動回路等影響。