如何调整碳化硅 MOSFET 驱动来减少功率损耗
如何调整碳化硅 MOSFET 驱动来减少功率损耗
作者：Xiou
参考资料：ST官网应用笔记《AN4671》。
1.如何减少传导损耗？
**传导损耗：**所有的MOS管导通后都存在导通内阻，当电流流过之后就会产生功率损耗，一般用RDS(ON)来表示传导损耗一般来说和MOS的大小成反比，体积越大，其导通电阻一般能做的更小。传导损耗的计算如下，简单来说就是流经MOS管的电流与MOS管DS之间的压降的乘积。
碳化硅 MOSFET 要求比标准的超结 MOSFET 或 IGBT 较高的栅极电压幅值。我们建议使用 +20 V偏压的栅极驱动以减少 RDS(on)，从而减少传导损耗。
因此 , 碳化硅 MOSFET 提供比其它碳化硅器件明显的优势：
· 直流电流需求 - 它不需要任何栅极电流，以维持导通状态。
· 简单的驱动电路 - 只需栅极电阻和一个简单的 0 至 20 V 的输入电压。
超过 20 V 正偏压驱动碳化硅 MOSFET 是不必要的，甚至是不希望看到的，因为 VGS 绝对最大额定值是 +25 V，可以低至 18 V，但在 20 A, 25 ℃的情况下 , 会增加 25％左右的 RDS （on）。
使用负栅极偏压可以让器件处于完全关断从而使开关损耗最小化。
2.如何减少开关损耗？
**开关损耗：**由于MOS管开通或者关断时，其电压并不会立马升高到电源电压或者降低到OV，存在一定的斜率，因此在这个过程中会存在开关损耗，其计算方法如下：
其中Vin表示输入电压，lo表示输出电流，tr表示MOS管开通时，输出电压从OV升高至电源电压的时间，tf表示MOS管关断时，输出电压从电源电压降低至OV的时间，fsw表示开关的频率：
碳化硅 MOSFET 是专门用于驱动容易，能够在比相当的 IGBT 高出五倍的开关频率下工作，使设计更紧凑，可靠和高效的一些应用，如太阳能逆变器，高压电源和高效率驱动器。
为了优化开关性能，实现电力电子的 “ 量子飞跃 ”，某些独特的工作特性需要得到理解和执行。
影响开关性能的主要方面有：
· 关断能量 （Eoff）取决于 Rg 和 VGS-OFF （负偏置栅极电压）
· 开启能量 （Eon）取决于 Rg
· 米勒效应影响 Eon 和 Err （反向恢复损耗）
· 栅极驱动电流的要求
所有的测试都基于 VGS-on= + 20V。关于上述参数对开关性能的影响可以扩展到整个碳化硅 MOSFET 系列，区别在于对栅极电流的要求，这在很大程度上取决于与栅极电荷量有关的器件的额定电流。
2.1 关断损耗 (Eoff) 取决于 Rg 和 Vgs-off
正如任何多数载流子器件一样，碳化硅 MOSFET 没有拖尾，所以关断损耗 （Eoff）取决于电压上升时间和电流下降时间内漏 - 源电压和漏电流之间的重叠区域。
固有的关断损耗取决于器件本身 （而不像开通损耗那样，如升压转换器和许多其它拓扑电路，依赖于外部的硅或碳化硅二极管的反向恢复电荷。），因此无与伦比的碳化硅 MOSFET 的关断速度是这项新技术的特点，使它与从其他 1200 V 功率器件区分开。
从门极汲取更多的电流，可以降低 Eoff ，可以采用：
· 降低栅极电阻 （Rg）
· 关断期间使用负偏置栅极电压
SCT30N120 的 Eoff 取决于栅极电阻如下所示。
显然，随着栅极电阻下降，漏 - 源过冲 （峰值电压超过 VDD）会相应增加，但 SCT30N120 仅表现出轻微的过冲变化。栅极电阻在 1Ω 至 10Ω 范围内变化， MOSFET 两端最大 VDS 仅相差50 伏。因此，即使当 Rg=1Ω，电压裕度至少也有 20％。当然，漏极和正钳位电压之间的寄生电感应该被最小化。
下面的波形图清晰地描绘出 Rg 对电压过冲和 Eoff 的变化。
这些数字表明，在电压的上升时间，可以通过降低栅极电阻来显著缩小关断损耗。此外，为了切换器件和获得低电导值，需要较小的栅极电荷：
· 当Rg=1Ω 时 , 消除了栅源米勒平台 （见图 4）
· 当Rg= 10Ω 时，得到一个周期在几十纳秒的 VGS 平台 （参见图 5）
使用负电压来关断 MOSFET 有助于进一步减少关断损耗，因为其增加栅极电阻上的电压降，从而向栅极更快的抽取电荷。对于任何栅极电阻取值，截止电压从 0 V 下降到 -5 V，Eoff降低了 35％到 40％。
在关断其间，负电压偏置明显对功耗有影响。稍后，我们讨论如何减少米勒影响。
2.2 开通损耗 (Eon) vs. Rg
开通性能也可以通过降低栅极电阻来提高。相比关断，变化不太明显，但是，当栅极电阻在1 至 10Ω 范围内变化，开通损耗几乎降低了 40％。较低的能耗必须与 di / dt 相关的 EMI规范相兼容，因为 di / dt 会因低 Rg 值显著增加。
该负偏压栅极电压对单个碳化硅 MOSFET 的开通损耗没有影响，由于较大的栅极电压摆幅，仅仅稍微拉长了有效导通延迟时间。
负栅极驱动偏置可以显著提高半桥衍生拓扑 （半桥，全桥等）的开通性能，因为米勒效应会影响 Eon。
2.3 开通损耗 Eon 和反向恢复损耗 Err 的米勒效应
当半桥的下侧 MOSFET 开通时 , 电压变化 dVDS/dt 发生在上侧 MOSFET。这就形成了对上部MOSFET 的寄生电容 CGD 充电的充电电流，此电流通过米勒电容，栅极电阻和 CGS （电容 CGD和 CGS 形成一个电容分压器）。如果在栅极电阻上的电压降超过了上侧 MOSFET 的阈值电压，被称为 “ 米勒导通 ” 或 “ 米勒效应 ” 的寄生导通就出现了，其可以显著影响整个桥臂的开关损耗。当高侧 MOSFET 开通和电流流过低侧开关的米勒电容时 , 寄生导通也可能会发生。
碳化硅 MOSFET 也会发生这种现象。在下面的测试电路中，高侧的 SCT30N120 在栅极和源极施加一负电源电压 （Voff-HS 是在 0 至 -10 V 范围内）并串联一个关断栅极电阻 （Roff-HS）保持关断。低侧开关 SCT30N120 开通时，引起高侧开关的电压变化 dVDS/dt。栅极电阻 Roff-LS和 Ron-LS 连接到低侧 MOSFET 来负责关断和开启。下面的测试电路显示了高侧 MOSFET 的米勒开通如何负面影响低侧 MOSFET 的 Eon。
米勒导通现象的分析包括研究低端 MOSFET 的 Eon 和高端 MOSFET 的 ERR 如何随 Roff-HS，Ron - LS 和 Voff-HS 的变化而影响。
反向恢复损耗 Err 是碳化硅 MOSFET 固有的体二极管导通后消耗的开关能量。在不存在米勒效应的情况下，由于优异的碳化硅反向恢复特性 , 它是可以忽略不计。然而，在米勒导通存在时，反向恢复能量显著影响着整个开关损耗。
在半桥变换器中 , 米勒效应可能出现在下面的一个或多个条件下：
· 高 dv / dt （低阻值 Ron-LS）
· 高阻值 Roff-HS
· 高阻值的 MOSFET 固有 Rg
· 高的电容 CGD/ CGS 比值
因此对 Roff-HS，Ron-LS 的三种组合进行测试，同时 Voff-HS 从 -10 V 增加到 0 V：
- Ron-LS=4.7Ω，Roff-HS=2.2Ω （最好米勒效果情况）
- Ron-LS =4.7Ω，Roff-HS =15Ω （最坏米勒效应情况）
- Ron-LS = Roff-HS =15Ω （中间情况）
- 为了保持一个相对于 -10 V VGS 绝对最大额定值的安全裕量 , 负电压不要超过 -6 V
（假定 Voff-HS= -10 V 的情况是为了测试结果的完整性）。
因此，当 SCT30N120 工作在半桥衍生拓扑时 , 以下规则中至少一个必须采取：
- 实行单独的导通和关断路径 , 始终保持导通和关断的栅极电阻之间的正确比例 RG-ON > 1.5* RG-off。
- 使用负的截止电压在 -6 V 至 -4 V 范围内，以保持 MOSFET 关断。
在满足条件 1 时（这更容易实现成立）, 虽然这不是必须的，一个小的负栅 - 源电压（约 -2 V），可以进一步减少损失。
2.4 对驱动电流的要求
开通或关闭 MOSFET 所需的栅极电流可以通过栅电荷来计算，栅电荷可以从相关数据表直接读取。
该 SCT30N120 总栅极电荷 （Qg）在 VDD=800 V，ID=20 A，VGS= -2 至 20 V 的条件下的典型值是 106 nC。
下面的图像示出了导通期间，通过对栅极电流的积分而测量的电荷总量。
由于在所有的 1200 V 开关中 , 碳化硅 MOSFET 具有最低的品质因数 （FoM）RDS(ON）* Qg，在任何开关周期 , 驱动器必须供应和汲取相对较小的总栅极电荷。
当驱动器的拉电流和灌电流能力不足时 , 将危及碳化硅 MOSFET 出色的开关性能，因为，如上所述，开关能量与栅极电阻密切相关。
为了获得最大的开关速度，在 Rg = 1Ω, VGS-on= +20V 和 VGS-off= -2 V 的条件下 , 驱动器必须能提供和汲取栅极峰值电流 （见图 2）。
下面的导通和关断过程中的图像清晰地显示了驱动 SCT30N120 时 , 对驱动器拉电流和灌电流的要求。
在两种情况下 , 栅极峰值电流比 2A 略低，在其他测试条件下 （更高的器件温度和更低的漏极电流情况下），在关断时 , 栅极电流稍有降低，开通时 , 栅极电流相应增加 。
在栅极电阻上的电压降和栅极电流是由寄生源极电感和漏极电流的 di / dt 限制，图 11 表示在开通时 , 栅极电流的大幅度振铃由 ID 的振荡和源极电感引起。
理想的情况下，如果要去除寄生电感的影响，我们希望在导通时 , 栅极供应电流超过 2A ，而在关断期间 , Rg = 1Ω （见图 12）, 栅极电流要相当稳定且不受漏电流的影响。
