一種智能的碳化硅MOSFET驅(qū)動核及驅(qū)動要求與特性詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-04-27
在SiC MOSFET的開發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導通電阻、開關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。
近年來，以碳化硅、氮化鎵材料為代表的第三代寬禁帶功率半導體器件越來越受到客戶的追捧。特別是碳化硅材料的MOSFET、肖特基二極管，以其寬帶隙，高電場強度，良好散熱特性，以及高可靠性等特點，為客戶的產(chǎn)品帶來高效率，高頻率，小體積，降低系統(tǒng)成本等效益，廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電，新能源汽車，通信基站電源，充電樁，高鐵，電網(wǎng)輸電等領(lǐng)域。
業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅制造商Wolfspeed（A Cree Company），推出650V～15kV的SiC MOSFET器件，憑借其優(yōu)越的性能、可靠的品質(zhì)以及強有力的技術(shù)支持，贏得了客戶的信賴，成為引領(lǐng)市場發(fā)展的產(chǎn)品。其中，650V～1700V的分立器件SiC MOSFET尤其受到歡迎。
碳化硅MOSFET擁有超低的開關(guān)損耗，僅為硅IGBT十分之一，快速開關(guān)的特性意味著可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化和小型化，并提高效率。
高壓及超快的開關(guān)速度帶來的超高di/dt，dv/dt，會通過系統(tǒng)的雜散電感，電容形成干擾，對設(shè)計工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。原有的Si MOSFET應(yīng)用設(shè)計理論還會適用，然而一些在硅器件開關(guān)速度的環(huán)境下是微不足道的參數(shù)，卻會在高速的SiC器件應(yīng)用中產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。
SiC MOSFET的門極是一個耐壓非對稱體，以行業(yè)龍頭Wolfspeed器件為例，其第二代SiC MOSFET的耐受電壓為+25/-10V，推薦工作電壓為+20/-5V，其中閾值電壓最小僅為+2.0V，與傳統(tǒng)Si MOSFET，IGBT完全不兼容。改進后第三代的耐受電壓為+19/-8V，推薦工作電壓為+15/-4V，其中最小閾值電壓下降到了+1.7V（如下圖所示）。在碳化硅MOSFET的閾值電壓非常低，在超快速的di/dt，dv/dt下，為了避免高速開關(guān)帶來的串擾，譬如誤開通，門極超壓，直通短路等，需要在SiC MOSFET驅(qū)動設(shè)計上做一些必要的改進。
SiC MOSFET與傳統(tǒng)MOSFET的門極耐受電壓及閾值電壓對比
為了讓客戶能夠更快速地，更容易地使用并熟悉SiC MOSFET以及其驅(qū)動的性能及特性，深圳市鵬源電子有限公司新推出的【α】系列驅(qū)動核（APD06XXXA1C-17），是專門為Wolfspeed公司的一系列分立SiC MOSFET設(shè)計的簡單易用驅(qū)動器。
【α】系列驅(qū)動核具有短路保護，米勒鉗位，過溫保護，欠壓保護等優(yōu)異特性，有簡單易用的集成驅(qū)動電源版本和性價比極高的外置驅(qū)動電源版本可供不同客戶需要進行選擇，目前集成驅(qū)動電源版本已經(jīng)可以供貨。為了針對第二代和第三代SiC MOSFET的應(yīng)用，【α】驅(qū)動核目前推出APD06204A1C-17（+20V/-4），APD06153A1C-17（+15V/-3V）兩個型號，可兼容Wolfspeed 650V～1700V單管SiC MOSFET，支持500kHz的開關(guān)頻率，以及100kV/us的高dv/dt抗干擾能力。
1、導通電阻隨溫度變化率較小，高溫情況下導通阻抗很低，能在惡劣的環(huán)境下很好的工作。
2、隨著門極電壓的升高，導通電阻越小，表現(xiàn)更接近于壓控電阻。
3、開通需要門極電荷較小，總體驅(qū)動功率較低，其體二極管Vf較高，但反向恢復性很好，可以降低開通損耗。
4、具有更小的結(jié)電容，關(guān)斷速度較快，關(guān)斷損耗更小。
5、開關(guān)損耗小，可以進行高頻開關(guān)動作，使得濾波器等無源器件小型化，提高功率密度。
6、開通電壓高于高于SI器件，推薦使用Vgs為18V或者20V，雖然開啟電壓只有2．7V，但只有驅(qū)動電壓達到18V～20V時才能完全開通。
7、誤觸發(fā)耐性稍差，需要有源鉗位電路或者施加負電壓防止其誤觸發(fā)。
1、觸發(fā)脈沖有比較快的上升速度和下降速度，脈沖前沿和后沿要陡。
2、驅(qū)動回路的阻抗不能太大，開通時快速對柵極電容充電，關(guān)斷時柵極電容能夠快速放電。
3、驅(qū)動電路能夠提供足夠大的驅(qū)動電流
4、驅(qū)動電路能夠提供足夠大的驅(qū)動電壓，減小SIC MOSFET的導通損耗。
5、驅(qū)動電路采用負壓關(guān)斷，防止誤導通，增強其抗干擾能力。
6、驅(qū)動電路整個驅(qū)動回路寄生電感要小，驅(qū)動電路盡量靠近功率管。
7、驅(qū)動電路峰值電流Imax要更大，減小米勒平臺的持續(xù)時間，提高開關(guān)速度。
對于有IGBT驅(qū)動電路設(shè)計經(jīng)驗的工程師來說，SIC MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計與IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計類似，可以在原來的驅(qū)動電路上進行修改參數(shù)進行設(shè)計。
SIC MOSFET電源的設(shè)計，根據(jù)其特性，需要有負壓關(guān)斷和相比SI MOSFET較高的驅(qū)動電壓，一般設(shè)計電源為－6V～＋22V，根據(jù)不同廠家的不同Datasheet大家選擇合適的電源正負電壓的設(shè)計，這里只給出一個籠統(tǒng)的設(shè)計范圍。可以將IGBT模塊驅(qū)動電源進行稍微修改使用在這里，比如，特斯拉在分立IGBT和SIC IGBT上都是用反激電源，具體電路參考歷史文章中對特斯拉Model S 與Model 3的硬件對比分析中，也可以使用電源模塊，比如國內(nèi)做的比較好的金升陽的電源模塊，可以降低設(shè)計難度，但成本也會相應(yīng)的升高。
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