SiC設計干貨分享（一）：SiC MOSFET驅動電壓的分析及探討

作者：富昌電子 David An

校稿：富昌電子 Iven Xiao

隨著制備技術的進步，在需求的不斷拉動下，碳化硅（SiC）器件與模塊的成本逐年降低。相關產品的研發與應用也得到了極大的加速。尤其在新能源汽車，可再生能源及儲能等應用領域的發展，更是不容小覷。

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業的技術服務，為客戶打造個性化的解決方案，并縮短產品設計周期。在第三代半導體的實際應用領域，富昌電子結合自身的技術積累和項目經驗，落筆于SiC相關設計的系列文章。希望以此給到大家一定的設計參考，并期待與您進一步的交流。

作為系列文章的第一部分，本文將先就SiC MOSFET的驅動電壓做一定的分析及探討。

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，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1 列出幾個常見廠家部分SiC MOSFET的Vgs與Vgs(th)值作對比。

SiC MOSFET驅動電壓設置探討

1.驅動電壓高電平Vgs_on是選擇+12V、+15V、+18V還是+20V?

如圖1所示，SiC MOSFET 驅動電壓正向最大值在22V~25V左右，推薦的工作電壓主要有+20V,+18V兩種規格，具體應用需要參考不同SiC MOSFET型號的DATASHEET。由下圖2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DATASHEET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)。當然驅動電壓Vgs越高，對應的Rds(on)會越小，損耗也就越小。

富昌設計小建議：Vgs設定Vgs時不能超過DATASHEET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

由圖1所示，因為新一代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。

富昌設計小建議：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，DATASHEET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。如下圖2所示為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。

富昌設計小建議：Vgs設置為+15V時，SiC MOSFET損耗會比標稱值大。

（3）對于+12V 高電平可否驅動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，客戶在綜合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情況下，是可以使用的。

富昌設計小建議：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Vgs=+12V時的Rdson。

2.驅動電壓低電平Vgs_off是選擇0V、-3V還是-5V?

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-3V或-5V關斷電壓如何選擇

首先參考SiC MOSFET的DATASHEET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?？芍?，當門極電壓閾值裕度ΔVgs_th越大于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。

富昌設計小建議：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定性和性能。

（2）對于0V關斷電壓探討

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，故而不推薦使用。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，客戶可以根據自己的設計而定。

富昌設計小建議：重點考慮dv/dt造成的ΔVgs以及環路等效電感，對誤導通的影響，在設置Vgs_off=0V時，才能讓系統更加穩定。

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象。為了理解這些差異，解釋這些差異與材料本身特性的關系，評估其對應用、系統的影響，需要更多的研究及探索。

（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。在計算功率循環時，需要把這個增加的結溫也考慮進去。

富昌設計小建議：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，抵抗濕氣的能力等不會受影響；

Vth漂移會對總的損耗有輕微影響；

（3）影響Vth漂移的參數主要包括：

開關次數，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；

總結

本文主要針對驅動電壓Vgs和柵極電壓閾值Vgs(th)本身對SiC MOSFET在使用過程中的影響做出討論。

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據來修正設計參數。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，此處不做展開探討，富昌電子將在后續連載文章中逐步剖析，敬請期待。

參考文獻：

【1】Infineon-Guidelines_for_CoolSiC_MOSFET_gate_drive_voltage_window-ApplicationNotes.

【2】Infineon Cookbook for SIC driving.

【3】ON Semiconductor Impacts of kelvin source and the Crosstalk in SIC.

【4】ON Semiconductor SIC MOSFETs: Gate Drive Optimization.

【5】AN4671如何調整碳化硅 MOSFET 驅動減少功率損耗

審核編輯 黃宇