硅基MOSFET和IGBT过去一直在电力电子应用行业占据主导地位，这些应用包括不间断电源、工业电机驱动、泵以及电动汽车（EV）等。然而，市场对更小型化产品的需求，以及设计人员面临的提高电源能效的压力，使得碳化硅（SiC）MOSFET成为这些应用中受欢迎的替代品。 与硅基MOSFET一样，SiC MOSFET的工作特性和性能也依赖于栅极驱动电路的设计，该电路负责开启和关闭器件。然而，SiC的特定特性要求对MOSFET器件和栅极驱动电路进行仔细选择，以确保安全地满足应用需求，并尽可能提高效率。在本文中，我们将讨论为SiC MOSFET选择栅极驱动器时应考虑的标准。 电力电子系统可处理高达数十兆瓦的大量电能，在当今市场上，电力电子应用设计越来越受到效率需求以及法规要求的推动。电流密度和效率是实现市场所需的更小外形尺寸的关键因素，因为更高的效率可降低功耗，从而减少对印刷电路板和外壳冷却解决方案的需求。 随着排放法规的日益严格，效率问题也受到了越来越多的关注。例如，MOSFET是电力驱动系统（PDS）的关键元件，这些系统驱动着电动机的运转。据欧盟委员会估计，仅在欧洲就有约80亿台电动机在使用，其消耗的电能几乎占该地区电能的一半1。因此，毋庸置疑，这些设备的电气效率会受到越来越严格的监管要求。 SiC MOSFET只要使用得当，就能在功率密度和效率方面提供显著优势。更紧凑的SiC元件具有更高的开关频率，可以减小整体系统尺寸，在电动汽车等对空间和重量敏感的应用中具有明显优势。不过，为了实现SiC MOSFET的潜在优势，必须通过精心选择合适的栅极驱动器，使器件适合应用的具体要求。 系统尺寸和电气效率是许多现代电力电子系统的关键要求，而碳化硅已成为一种流行的半导体技术。作为一种宽禁带材料，SiC与硅相比具有众多优势，包括高热导率、低热膨胀系数、高最大电流密度和卓越的导电性。此外，SiC的低开关损耗和高工作频率也提高了效率，特别是在需要大电流、高温和高热导率的应用中。 碳化硅器件的电压阈值高达10千伏，而硅器件的电压阈值仅为900伏，临界击穿场强也更高，因此厚度更薄的碳化硅器件可以支持更高的额定电压。 如果实施得当，SiC器件能为设计人员带来效率和开关频率方面的重要优势，而且更紧凑的SiC元件还能减小整个系统的尺寸。这些优势对于电动汽车、轨道交通或能源基础设施等对空间和重量敏感的应用极为有用。随着碳化硅技术不断进步，可承受的电压也越来越高，器件的额定电压可达1700V及以上，它相对于传统硅材料的优势将更加明显。 SiC MOSFET栅极驱动器设计考虑因素 栅极驱动器的设计可确保电源应用中使用的MOSFET安全运行。选择栅极驱动器时需要考虑的因素包括： ☑米勒电容(CDG) 与寄生导通(PTO) SiC MOSFET容易产生寄生导通(PTO)，这是由于米勒电容CDG在开关过程中将漏极电压耦合到栅极。当漏极电压上升时，该耦合电压可能会短暂超过栅极阈值电压，使MOSFET导通。在同步降压转换器等电路中，MOSFET通常成对使用，其中有一个高压侧和一个低压侧MOSFET，而PTO会导致这些电路中的“直通”（shoot-through）导通。 当高压侧和低压侧MOSFET同时导通时，就会发生直通导通，导致高压通过两个MOSFET短路到GND。这种直通的严重程度取决于MOSFET的工作条件和栅极电路的设计，关键因素包括总线电压、开关速度，(dv/dt)和漏极-源极电阻(RDS(ON))。在最坏的情况下，PTO会引发灾难性的后果，包括短路和MOSFET损坏。 与PCB布局和封装有关的寄生电容和电感也会加剧PTO。如下文所述，可以通过对器件的关断电压进行负偏置来避免这种情况。 ☑栅极驱动器电压范围 MOSFET的导通和关断是通过向其栅极施加电压实现的，电压由专用的栅极驱动器提供，如图1所示。栅极驱动器负责提供拉电流，使MOSFET的栅极充电至最终导通电压VGS(ON)，并在器件放电至最终关断电压VGS(OFF)时提供灌电流。
栅极驱动的正电压应足够高，以确保MOSFET能够完全导通，同时又不超过最大栅极电压。在使用碳化硅MOSFET时，必须考虑到它们通常需要比硅MOSFET更高的栅极电压。同样，虽然0 V的电压足以确保硅MOSFET关断，但通常建议SiC器件采用负偏置电压，以消除寄生导通的风险。在关断过程中，允许电压向下摆动到-3 V甚至-5 V，这样就有了一定的余量或裕度，可以避免在某些情况下触发VGS(TH)，从而意外导通器件。 以这种方式负偏置栅极电压还能降低MOSFET的EOFF损耗。如图2所示，在驱动安森美的第2代"EliteSiC M3S "系列SiC MOSFET时，将关断电压从0 V降到-3 V，可将EOFF损耗降低25%。
图2：负栅极偏置（来源：AND90204/D） RDS(ON)是当器件通过施加到栅极上的特定栅极到源极电压（VGS）导通时，MOSFET的漏极和源极之间的电阻。随着VGS的增加，RDS(ON)通常会减小，一般来说，RDS(ON)越小越好，因为MOSFET被用作开关。总栅极电荷QG(TOT)是使MOSFET完全导通所需的电荷，单位为库仑，通常与RDS(ON)成反比。QG(TOT)电荷由栅极驱动器提供，因此驱动器必须能够提供拉灌所需的电流。 |
