【導(dǎo)讀】由于SiC 材料具有更高的擊穿場強、更好的熱穩(wěn)定性、更高的電子飽和速度及禁帶寬度，因此能夠大大提高功率器件的性能表現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)的Si功率器件，SiC 器件具有更快的開關(guān)速度，更好的溫度特性使得系統(tǒng)損耗大幅降低，效率提升，體積減小，從而實現(xiàn)變換器的高效高功率密度化。當(dāng)前碳化硅功率器件主要在新能源汽車的車載充電機、充電樁、計算機電源、風(fēng)電逆變器、光伏逆變器、大型服務(wù)器電源、空調(diào)變頻器等領(lǐng)域，根據(jù)Yole估計，未來市場將有每年30% 左右的高速增長。為此，派恩杰推出1700V,1200V,650V各種電壓等級SiC MOSFET以應(yīng)對市場需求。在從硅器件到碳化硅器件使用轉(zhuǎn)變過程中，客戶常常會遇到一些疑問或者使用問題，為此，派恩杰針對客戶的問題進行歸納總結(jié)并分享一些解決辦法。
圖1 SiC功率器件市場預(yù)測
SiC 器件目前的性價比怎么樣？
SiC器件本身要比Si器件貴，但使用了SiC器件后系統(tǒng)損耗大幅減小而耐高溫能力提高，器件導(dǎo)熱率更高，因此可以減小散熱體積和成本；通過提高頻率可以減小磁性器件的體積從而降低成本；由于功率密度的提高系統(tǒng)機械成本也可減少。總之，采用SiC器件后系統(tǒng)綜合成本減小，且隨著SiC器件需求和產(chǎn)能不斷提升，SiC器件本身價格也在不斷下降。
圖2 SiC方案與Si方案系統(tǒng)成本對比
如何選擇合適的SiCMOSFE驅(qū)動IC ？
1、由于SiCMOSFET的dv/dt通?？蛇_30V/ns~80V/ns,因此派恩杰推薦驅(qū)動IC的抗干擾性CMTI>=100V/ns，此外為了防止dv/dt通過極間電容耦合到原邊產(chǎn)生共模電流，因此要求驅(qū)動IC極間電容最好小于2pF
2、SiC MOSFET的開關(guān)頻率通常很高，因此死區(qū)時間要求更短，為此驅(qū)動IC的傳輸匹配延時要盡量小，派恩杰推薦小于50ns
3、驅(qū)動電流的大小與開關(guān)器件工作速度密切相關(guān)，為適應(yīng)高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷的需求,派恩杰的SiCMOSFET推薦驅(qū)動IC峰值電流不小于4A
4、為了防止發(fā)生誤開通，通常推薦采用帶有源米勒鉗位功能的驅(qū)動IC
如何解決SiC MOSFET的橋臂串?dāng)_問題？
所謂橋臂串?dāng)_是指由于SiC器件速度很快，高速變化的dv/dt通過米勒電容CGD耦合到門極產(chǎn)生誤動作。
解決橋臂串?dāng)_的方法包括三個方面：
1、器件方面：提高門極閾值電壓，減小CGD/CGS 比值；
2、驅(qū)動電路方面：減小門極驅(qū)動電阻Rg 或者門極寄生電感Lg;增加外部柵源電容CGS；采用有源米勒鉗位；
3、驅(qū)動電壓方面：派恩杰SiC MOSFET 通常推薦-3V/-4V的負(fù)壓關(guān)斷以減小誤開通風(fēng)險 。
總而言之，增加外部電容CGS會降低器件速度，減小Rg增加器件應(yīng)力，通常不輕易使用。因此為了充分利用SiC MOSFET的高速性能同時防止誤開通，派恩杰通常推薦在優(yōu)化器件本身抗干擾能力的情況下，采用負(fù)壓關(guān)斷并配合有源米勒鉗位使用。
圖3 橋臂串?dāng)_
SiC MOSFET 閾值電壓Vth比較低，是否意味著誤開通風(fēng)險更大？
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(chǎn)生門極電壓變化導(dǎo)致關(guān)斷時Vgs超過閾值電壓導(dǎo)致誤開通，因此誤開通不僅和閾值電壓Vth有關(guān)，還與dv/dt產(chǎn)生的電壓變化有關(guān)。以Vee=-3V關(guān)斷為例，門極電壓閾值裕度為ΔVgs_th=Vth-Vee, 當(dāng)dv/dt趨于無窮大時，dv/dt產(chǎn)生的門極電壓變化為：ΔVgs=Vbus*CGD/(CGD+CGS). 可知，當(dāng)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，器件Vgs安全裕度越大，誤開通風(fēng)險越小。如圖4所示為派恩杰產(chǎn)品和各家競品1200V,80mΩ產(chǎn)品裕度對比，Vbus=800V，可知雖然派恩杰產(chǎn)品閾值電壓略低，但由于優(yōu)化了器件寄生電容比值，dv/dt造成的門極電壓變化非常小，因此Vgs安全裕度反而最大，R家，S家雖然閾值最高，但反而沒有安全裕度。因此，評價器件本身誤開通風(fēng)險要綜合考量閾值電壓和dv/dt產(chǎn)生的門極電壓變化。
圖4 SiC MOSFET器件本身誤開通風(fēng)險裕量對比
關(guān)于SiCMOSFET驅(qū)動電壓的選擇
1、SiC MOSFT產(chǎn)品可否兼容Si的門極驅(qū)動電壓，正壓如何選擇，+12V,+15V驅(qū)動可不可以？
目前市面上的SiC MOSFET 推薦驅(qū)動正壓主要有+20V,+18V,+15V三種規(guī)格，考慮到工業(yè)界希望SiCMOSFT的驅(qū)動電壓能與15V Si IGBT 兼容，因此派恩杰的SiCMOSFET 驅(qū)動正壓為+15V。如圖5所示為Vgs與Rds(on)的關(guān)系，可知門極電壓越高，Rds(on)越小，因此對于推薦電壓為+20V,+18V工作的SiC器件,如果在+15V下工作Rds(on)會比標(biāo)稱值大,而派恩杰推薦電壓為+15V的SiC器件故Rds(on)與標(biāo)稱值相同，但如果工作在+12VRds(on)也會比標(biāo)稱值大，故一般不推薦+12V工作，但是對于電流極小的器件比如派恩杰1700V1Ω/3Ω的SiC MOSFET 做高壓輔助電源應(yīng)用，為了兼容目前市面上的SiMOSFET控制IC,在客戶接受Rds(on)稍高的情況下是允許的。
圖5 Vgs 與Rds(on)的關(guān)系
2、是否需要負(fù)壓關(guān)斷,0V關(guān)斷可不可以，負(fù)壓如何產(chǎn)生？
派恩杰除了電流極小的器件1700V 1Ω/3Ω的SiCMOSFET，dv/dt非常小，允許0V關(guān)斷，其他型號都不允許0V關(guān)斷。由于SiC MOSFET的閾值電壓較低，dv/dt非常大，為了防止誤開通，派恩杰通常推薦采用-3/-4V關(guān)斷，這樣有5.2V/6.2V的閾值裕度，比SiMOSFET閾值還高點，抗干擾能力強。此外，負(fù)壓的產(chǎn)生也比較簡單，如圖6給出了兩種如何利用單極性電源+18V產(chǎn)生+15V/-3V的方法，可知僅需要TVS管和電容就可以實現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。
圖6 單電源產(chǎn)生負(fù)壓的方法
如何減小SiCMOSFET應(yīng)用中的門極震蕩問題？
由于SiC MOSFET的開關(guān)速度很快，因此很容易產(chǎn)生門極振蕩問題。為了減小門極振蕩可以通過加大驅(qū)動電阻來阻尼振蕩但是開關(guān)損耗會增大故不推薦輕易使用。派恩杰推薦通過優(yōu)化驅(qū)動回路的Layout以減小寄生電感來減小振蕩，一方面可以將驅(qū)動側(cè)電源電容，驅(qū)動電阻和驅(qū)動IC盡可能的靠近SiCMOSFET以減小回路長度，另一方面可以在驅(qū)動線路PCB下層鋪地覆蓋驅(qū)動線路進一步減小寄生電感。
如何減小SiCMOSFET的電壓尖峰？
如圖7所示，電壓尖峰主要是由于關(guān)斷時過大的di/dt在回路寄生電感上產(chǎn)生壓降(Lp1+Lp2)di/dt造成。因此如果增大門極驅(qū)動電阻Rg , di/dt減小，電壓尖峰會減小,但是開關(guān)損耗會增加。因此，通常不輕易增大Rg,而是通過優(yōu)化回路寄生電感來實現(xiàn)。如圖所示，由于母線電容寄生電感較大回路較長，因此通常需要在盡量靠近器件的地方插入寄生電感小的MLCC/Cer緩沖電容，這樣高頻電流會流向低阻抗回路，產(chǎn)生電壓尖峰會變成Lp1*di/dt，從而使得電壓尖峰減小。此外，需要利用PCB多層布線和磁場相消的原理，優(yōu)化Layout減小寄生電感。
圖7抑制電壓尖峰
SiC MOSFET TO247-4比TO247-3的優(yōu)勢是什么，損耗可以減小多少？
如圖8左圖所示，由于TO247-3封裝內(nèi)部的公共Source電感Ls的存在，會將功率回路高速變化di/dt通過Ls耦合到驅(qū)動回路。一方面會使得門極回路振蕩更嚴(yán)重，另一方面由于Ls*di/dt電壓的反向作用，會減緩SiCMOSFET開通和關(guān)斷的速度，從而增加了開關(guān)損耗。而TO247-4因為有單獨的一根Source引線用于驅(qū)動，從而旁路了內(nèi)部公共Source電感作用，避免了內(nèi)部公共Source電感對開關(guān)過程的影響，從而達到減小開關(guān)損耗的目的。如圖8右圖所示為派恩杰1200V,80mΩTO247-3 和TO247-4封裝開關(guān)損耗對比結(jié)果，可知在40A時，TO247-4的總開關(guān)損耗相比TO247-3可以減小51%，性能可以大幅度提升。
圖8TO247-3 vs TO247-4 對比圖
SiC MOSFET并聯(lián)中需要注意哪些事項？
為了防止器件并聯(lián)不均流，主要可以從以下三個方面考慮：
(1)靜態(tài)不均流需要保證SiC MOSFET本身的參數(shù)一致性來實現(xiàn)，需要仔細(xì)挑選參數(shù)一致的MOSFET來做直接并聯(lián)。
(2) 為了使得寄生參數(shù)一致性較好，需要保證每個SiCMOSFET的驅(qū)動回路和主功率回路盡量對稱，要求驅(qū)動芯片輸出到每個SiCMOSFET的柵極距離一樣。
(3) 動態(tài)不均流會以環(huán)流的形式呈現(xiàn)，因此為了減小不均流，需要減小環(huán)路電流，即增大環(huán)流回路阻抗。如圖9所示，為了減小驅(qū)動回路造成的環(huán)流路徑I，需要為每個MOSFET配置單獨的電阻Rg1,Rg2, Rs1, Rs2，通常1歐姆左右，以增加回路阻抗，增強動態(tài)均流。功率環(huán)流路徑II通常通過Layout對稱保證，必要的情況也可以在回路加入反耦合電感以增加環(huán)流回路阻抗。
圖9TO247-4 SiC MOSFET并聯(lián)
來源：三代半煉金術(shù)師，作者：王華
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