过去的一年,作为第三代半导体的典型代表,碳化硅(SiC)器件着实火了一把,其高工作温度、高击穿场强、高耐压、高热导率、高功率密度以及高可靠性,为设计师打造具有竞争力的节能型产品提供了前所未有的机会。


目前,一些领先的应用已经采用了SiC,更多的应用正在尝试当中。为了充分发挥SiC的诸多优势,我们还需要思考用SiC进行设计的一些难题,其中一个重要问题就是SiC器件的驱动。关于这个问题,我们来看看多家SiC半导体头部企业的技术经理和设计主管的看法和忠告。

 

 

SiC的驱动电压多少才合适?


传统硅MOSFET的典型驱动电压是12V,传统硅IGBT的典型驱动电压为15V,SiC MOSFET的驱动电压通常比它们都高。Cree|Wolfspeed应用经理魏晨说:“我们广泛应用的第二代SiC MOSFET的驱动电压是20V,许多客户希望能够降低其驱动电压,最好与传统硅器件差不多。为了方便客户使用,我们的第三代SiC MOSFET的典型驱动电压从第二代的20V降到了15V,栅极电压极限为+19V-8V,更容易实现驱动,同时也降低了驱动损耗。”

 


Wolfspeed第三代650V MOSFET

 

他说:“在典型桥式电路应用中,我们推荐客户使用+15V/-3V的驱动电压,把驱动电压的精度做到±5%。15V可以保证MOSFET有效开通,且相对最高极限电压19V保留4V的电压裕量。-3V的负压可以有效避免由串扰引起的共通问题,同时-3V距离-8V的栅极电压极限保留了5V裕量。”


从栅极驱动角度看,SiC MOSFET比硅器件对栅极电压的依赖性更大,与之相关的低跨导的一个挑战。安森美半导体先进方案部产品营销经理黎志远认为:“解决这个问题需要考虑采用隔离加负偏压的方法。栅极驱动器需要能够提供+20V和-2V至-5V的负偏压,同时具有最小的输出阻抗和高电流能力。”他说:“当非理想的PCB布板和较长的封装引线引入寄生电感时,在高di/dt和dv/dt开关期间功率晶体管的栅极-源极驱动电压可能会出现振铃。如果振铃超过阈值电压,则存在意外导通甚至击穿的风险。在栅极驱动器上施加负偏压是一种将振铃保持在阈值以下的常用方法。负电压可以提高SiC MOSFET的噪声容限,防止无意间使其导通。负栅极-源极电压会使Cgd的电容变小,从而降低振铃电压。”


罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理苏勇锦认为:“使用SiC MOSFET,需要在低损耗和高可靠性之间找到一个平衡点。针对ROHM已经量产的第二代和第三代SiC MOSFET,我们推荐驱动电压为18V。为了达到与传统硅IGBT及SJ-MOS驱动兼容的目的,ROHM第四代SiC MOSFET的驱动电压可同时对应18V或15V,这是行业先进水平。”为了评估驱动IC和SiC MOSFET(包括单管或SiC模块),实现各种电路自由搭配、双脉冲实验,ROHM还提供多种类型的评估板。

 


ROHM第四代SiC MOSFET

 

对于SiC MOSFET来说,通常需要使用负栅极驱动来使之关断,而使用高正驱动来获得最低的Rdson。然而,这使得SiC MOSFET更接近于其栅极氧化层能够长期可靠工作的最大电场。UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla表示:“SiC FET则是一种可以替代已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET等器件的产品。通过允许0到12V的栅极驱动,SiC FET能够像普通的硅MOSFET一样容易驱动。5V的高Vth看起来就像一个IGBT,因此设计师会发现,结合非常好的Crss/Ciss比,即使硅MOS或IGBT不能用,SiC FET也可以使用单极栅驱动器。”

 


UnitedSiC第4代SiC FET

 

他说:“对于我们的器件,我们建议f<100kHz用0-12V,或f>100kHz用0-15V栅极驱动器;同时建议在适当地方使用RC器件缓冲器,而不是用Rgon/Rgoff电阻来控制开关,以便在低开关损耗和EMI/过冲之间获得更好的平衡电压。”


SiC栅极驱动有一些最低要求,不能满足这些要求,器件的可靠性就无法保证。意法半导体工业功率转换部门产品市场经理Carolina SELVA说:“首先,在整个工作温度范围内,dV/dt瞬态耐量为±50V/ns,这是因为SiC MOSFET是为快速开关和高频开关设计的;其次,最小差分电源电压摆幅为22-28V(取决于是否施加负关断栅极电压)。因此,SiC MOSFET需要更高的正栅极驱动电压(+20V),取决于应用是否需要负关断栅极电压。”


三菱电机半导体大中国区技术总监宋高升表示:“三菱电机推出的工业用SiC器件对栅极氧化层进行了特别的设计,使其驱动电压与IGBT器件保持一致,即±15V,这样可以方便客户进行兼容设计。”


Power Integrations工业高压营销总监Francesco Fisichella说:“与IGBT(+15V/-15V)不同,SiC器件没有通用栅极电压,可能介于-4V和-10V/+15V和+20V之间,完全取决于器件厂商采用的技术。因此,SiC器件驱动器必须非常灵活。不过,发展趋势是-5V和+15V至+20V。”

 


PI的隔离式主控和模块适配栅极驱动器

 

他强调:“控制负电压至关重要。所施加负电压对SiC MOSFET的栅极氧化层可靠性有很大影响。为此,要求负轨电压必须稳定。此外,驱动器必须能够在比典型负压更高的情况下工作(例如-5V,而不是-10V),不会因电压尖峰而导致寄生导通。后一种情况可能导致转换器内部发生严重故障,例如电桥短路。”


青铜剑科技副总经理陈恒星认为:“与IGBT的不同,SiC负压耐受能力低,驱动栅极负压设计要恰当。为解决负压耐受能力低的问题,驱动的栅极电压值通常设置在-5V至0V之间。”

 

如何得到可靠稳定的驱动?


Cree|Wolfspeed的魏晨表示:“为了得到可靠稳定的驱动,我们推荐使用基于隔离电源和隔离驱动芯片的方案。对于高频桥式电路应用,驱动芯片的CMTI需要大于100V/ns。推荐选用满足系统隔离工作电压要求,并有足够驱动能力、带有米勒钳位功能的驱动芯片。结合合理的PCB布局,米勒钳位能够帮助用户降低共通风险,实现更高的系统可靠性,还能帮助用户抑制栅极负压尖峰,以满足SiC MOSFET的栅极电压要求”


罗姆的苏勇锦指出:“在高速开关时,SiC栅极驱动要有快速响应,而高速开关时会产生浪涌电压,影响电路稳定特性、损耗等。罗姆除了提供SiC器件外,还提供包括栅极驱动IC在内的局部电路解决方案,除了支持PCB合理布线(减小寄生电感)外,还可根据客户实际应用电路给出合理有效的浪涌电压抑制电路及器件参数,为客户排忧解难。”他还介绍说:“目前汽车应用SiC驱动IC主要是磁隔离、容隔离占主导。罗姆的SiC+栅极驱动IC解决方案能自由搭配功率电路,并通过全方位的技术支持及时有效地解决客户使用SiC的后顾之忧。”


安森美半导体的黎志远介绍说:“我们的第一代带有负电荷泵的非隔离型驱动器NCP(V)51705驱动器主要用于驱动SiC MOSFET晶体管。为了将导通损耗降至最低,它能够将最大允许栅极电压提供给SiC MOSFET器件。在导通和关断期间,提供6A的高峰值输出电流,从而最小化开关损耗。为了提高可靠性、dV/dt抗扰度及更快关断速度,它利用板载电荷泵产生用户可选的负电压轨。对于隔离应用,NCP/NCV51705提供一个外部可访问的5V电源轨,为数字或高速光耦隔离器的次级端供电。”


SiC的高开关频率会造成三个问题,首先是栅极电阻温升比较高,对驱动的散热设计要求很高;其次会造成较大共模干扰,驱动设计要满足这方面的要求。另外,驱动的单通道输出功率比较大,要求驱动板原次边隔离电源功率大,效率高,体积小。青铜剑科技的陈恒星说:“首先要采用大功率栅极电阻,优化高开关频率带来的驱动栅极温升高的问题,同时通过优化PCB设计,增大驱动覆铜来提高驱动散热能力;其次,为优化共模干扰及高dv/dt问题,驱动增加了滤波措施,优化PCB布局,减小变压器耦合电容;第三,为在有限体积内提高驱动隔离电源效率及输出功率,在驱动设计上还要优化变压器绕线方式及磁芯材质。”

 

SiC器件的安全怎样保证?


由SiC的诸多特性决定,其注定要用在高温、空间狭小的场合。三菱电机的宋高升介绍说:“为降低桥臂串扰带来的误动作,三菱电机在MOSFET栅极氧化层形成过程中采用独特的再氧化工艺,在保证低通态电阻的同时将开通阈值电压增加至4V。采用这一工艺的600V SiC MOSFET器件已经在家电用DIPIPM上使用。三菱电机利用此工艺正在开发1200V高开通阈值电压的SiC MOSFET器件。”


相对于IGBT 10μs的短路耐受时间,SiC器件的短路耐受时间一般只有2-4μs,需要更加快速精确的短路保护方式。为了解决这个问题,三菱电机开发了集成RTC电路的SiC模块,当短路发生时,SiC模块内部的RTC电路会自动降低栅极电压,漏极电流会随之大大降低,SiC器件的短路耐受时间也会随之延长。RTC电路同时会输出一个短路信号给外侧驱动器,驱动器启动保护,及时关闭驱动信号。宋高升说:“经实际测试,从短路发生到启动保护,只有1.2μs,大大提高了短路保护的可靠性,也极大简化了驱动器短路保护电路设计。”

 


三菱电机第二代全SiC功率模块

 

防止严重的安全问题并提升可靠性的一种方法是隔离。安森美半导体的黎志远建议设计人员采用NCP(V)51705 + NCID9401/11(数字隔离器),或隔离型驱动器 + 分立器件(齐纳二极管及电容器)来设计SiC驱动;并使用SiC MOSFET驱动器子卡来评估SiC MOSFET驱动器。


Power Integrations的Fisichella认为:“并非所有SiC模块都能承受短路,那些能承受短路的模块通常比IGBT模块(通常为10μs)的承受时间要短得多(2-4µs)。这就要求栅极驱动器能够检测到短路,并非常迅速地关断器件,而不会因灵敏度过高和误触发而出现问题。”


意法半导体的工业功率转换部门产品市场经理Carolina SELVA介绍说:“STGAP1AS是一个广泛使用的SiC栅极驱动器,其内置米勒钳位保护功能可在半桥配置的功率电路开关时控制米勒电流。当SiC功率开关管处于关断状态时,驱动器可以避免同一桥臂上的另一个开关管导通产生的CGD电容引起感应导通现象。在关断状态时,驱动器使用CLAMP引脚监视开关管的栅极电压。当栅极电压降至VCLAMPth阈压以下时,驱动器激活CLAMP开关,创建一条低阻抗路径,以防止不必要的开关导通。”


SiC短路耐受能力弱,通常要求驱动保护在3µs内动作,否则就会出现不动作或误动作问题。青铜剑科技的陈恒星说:“针对SiC器件短路耐受时间短的问题,根据模块特性及调试经验一般将短路时间设置在1.5µs,在恰当时间内做出保护动作。SiC开关速率快,开通阈值低,较高dv/dt会产生米勒效应导致SiC器件误开通,影响其可靠性。在驱动中增加米勒钳位可以防止误导通。”

 

选择谁家的驱动器?


Cree|Wolfspeed的魏晨表示:像TI的UCC5350MC、ADI的ADuM4121等都是值得尝试的分立SiC MOSFET驱动器。他说:“我们一直在与TI、ADI及SiLabs等主流驱动厂商紧密合作,为Wolfspeed的SiC MOSFET量身打造最合适的驱动产品。”


三菱电机的宋高升也表示:“一些驱动器设计厂商会针对三菱的SiC器件设计即插即用的驱动器,客户可以根据自己的需求进行对比选择;由于三菱的部分SiC器件内部集成了RTC电路,因此可以降低驱动保护电路的设计难度,客户也可以根据自身的情况自己设计驱动。”


意法半导体的SELVA说:“对用户来说,SiC供应商的栅极驱动器充分利用其功率器件的知识经验,而设计公司的驱动器则专注于各种SiC产品,覆盖更广泛的功能需求。”


据UnitedSiC的Bhalla介绍,UnitedSiC的SiC FET由于栅极电流很低,而且不需要米勒钳位,几乎可以使用任何标准硅驱动器、IGBT驱动器或先进的SiC驱动器。事实上,许多用户甚至使用基于脉冲变压器的简单栅极驱动器。他说:“SiC FET的全部价值在于不需要使用更昂贵的新型SiC MOSFET或类似GaN的驱动器。具有足够dv/dt额定值和CMTI额定值的传统硅驱动器就足够了。”这一点有别于其他厂商。


自己不做SiC器件,但专注于功率器件栅极驱动器设计的一些公司也积累了丰富的经验,如Power Integrations。该公司的Fisichella表示:“最重要的问题是,SiC驱动器必须与SiC模块完美匹配。这听起来似乎很简单,但是,SiC栅极驱动器比IGBT驱动器更复杂,因为SiC的特性导致参数范围更广,并且保护功能必须进行高度调优。因此,SiC模块制造商可能会推荐首选合作伙伴的可靠解决方案。”


看来,满足客户多元化需求是专门做驱动的公司得以立命之本。那么,器件厂商做驱动和专门做驱动的公司有什么不同呢?青铜剑科技的陈恒星认为,前者一般仅专注于自己SiC器件的配套驱动。而后者会针对外资品牌、国内品牌等行业内不同SiC器件公司的产品做定制化开发。他说:“我们不局限于哪一家的SiC器件,而是根据不同客户要求、各厂家不同的封装,包括特性和参数来提供对应的驱动。”

 


青铜剑为三菱SIC模块定制的即插即用型驱动器

 

作为功率器件驱动领域的专家,陈恒星给用户提出了三点忠告:
•首先,选择成熟的驱动产品。这种方式适合以结果为导向,想快速占领市场的客户。这也是最值得推荐的方法。
•其次,选择驱动核自行搭建电路。这种方式适合在市场上没有找到合适的驱动,或者供货时间无法保证的客户。
•最后,购买驱动芯片自己开发。这种公司通常有研发能力,也有充足的内外部资源可以利用,而且还有比较充足的开发周期。

 

让SiC如愿以偿


用SiC器件设计应用是一个挑战,在驱动设计方面会遇到一些棘手的问题,如果解决不好,SiC器件就无法如愿以偿地发挥作用,甚至导致系统故障。另外,选择供应商和现成的驱动也要因应用而异。只有SiC器件与应用完美匹配,才能让它在功率系统中发挥更大的作用。