SiC MOSFET驱动电压的分析

SiC MOSFET驱动电压的分析

作者：Xiou

tips:资料来自富昌电子，及各个模块数据手册。

1.常见的Vgs与Vgs(th)，以及对SiC MOSFET应用的影响

驱动电压Vgs和栅极电压阈值Vgs(th)关系到SiC MOSFET在应用过程中的可靠性，功率损耗(导通电阻)，以及驱动电路的兼容性等。这是SiC MOSFET非常关键的参数，在设计过程中需要重点考虑。在不同的设计中，设置不同的驱动电压会有更高的性价比。下图列出几个常见厂家部分SiC MOSFET的Vgs与Vgs(th)值作对比。

从上表可以发现 SiC MOSFET 的门极闽值电压小于硅基器件。另外有研究表明，SiC MOSFET 的门极值电压与温度负相关，温度升高时 SiC MOSFET 门极阈值电压下降明显，相关实验甚至证明 200°C时 SiC MOSFET门极闽值电压跌落至 1.2V。因此，驱动芯片应该能严格控制关断时 SiC MOSFET 的门极电压尖峰，避免器件在关断时误导通。

驱动电压与Si-MOSFET的区别：
SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比，由于漂移层电阻低，通道电阻高，因此具有驱动电压即栅极－源极间电压Vgs越高导通电阻越低的特性。下图表示SiC-MOSFET的导通电阻与Vgs的关系。

导通电阻从Vgs为20V左右开始变化（下降）逐渐减少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驱动电压为Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建议在Vgs=18V前后驱动，以充分获得低导通电阻。也就是说，两者的区别之一是驱动电压要比Si-MOSFET高。与Si-MOSFET进行替换时，还需要探讨栅极驱动器电路。

2.SiC MOSFET驱动电压应该怎么设置？

驱动电压高电平Vgs_on是选择+12V、+15V、+18V还是+20V?

如上图所示，SiC MOSFET 驱动电压正向最大值一般都在20V~25V左右，推荐的工作电压主要有+20V,+18V两种规格，具体应用需要参考不同SiC MOSFET型号的数据手册。由下图所示，Vgs超过15V时，无论是导通内阻还是导通电流逐渐趋于平缓 (各家SiC MOSFET的数据手册给出的参考标准不同，有的是Rds(on)与Vgs的曲线，有的是Id与Vgs的曲线)。

驱动电压Vgs越高，对应的Rds(on)会越小，损耗也就越小。

建议设定Vgs时不能超过数据手册给定的最大值，否则可能会造成SiC MOSFET永久损坏。

（1）对于推荐使用+18V或+20V 高电平驱动电压的SiC MOSFET

新一代SiC MOS工艺的提升，部分SiC MOSFET推荐高电平驱动电压为+18V。由下图2所示，工艺的提升，使得Vgs从+18V到+20V的Rds(on)变化不大，导通损耗差别不明显。

最新一代SiC MOSFET建议使用+18V驱动电压。对降低驱动损耗以及减少Vgs过冲损坏更加有益。

（2）对于+15V 高电平可否驱动SiC MOSFET
在正常情况下，数据手册上没有推荐，不建议使用。但是考虑到与15V驱动的Si IGBT 兼容，需要经过计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件以及考虑到设备整体损耗时，也可以使用。
参考数据手册中Vgs与Rds(on)的关系，可知门极电压越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)会比标称值大。

Vgs设置为+15V时，SiC MOSFET损耗会比标称值大。
当然，具体参考数据手册，也可以设置成+15V。

（3）对于+12V 电平可否驱动SiC MOSFET

工作原理与+15V驱动电压同理，但是应用会更少，一般不推荐使用。但是一些特殊应用场景，例如在小功率高压辅助电源应用，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。需要综合考量，如果接受Rds(on)稍高的情况下，是可以使用的。
Vgs设置为+12V时，SIC MOSFET损耗会远远超过标称值，计算损耗时应参考数据手册中的Vgs=+12V时的Rdson。

3.驱动电压低电平Vgs_off是选择0V、-4V还是-5V，如何确定？

驱动电压低电平的选择要比高电平复杂的多，需要考虑到误开通。

误开通是由高速变化的dv/dt，通过米勒电容Cgd耦合到门极产生门极电压变化，导致关断时ΔVgs超过阈值电压而造成的。因此误开通不仅和阈值电压Vgs(th)有关，还与dv/dt产生的电压变化有关。

（1）对于-4V或-5V关断电压如何选择?

首先参考SiC MOSFET的数据手册上推荐的关断电压。再考虑门极电压阈值裕度为
ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大时，dv/dt产生的门极电压变化为：
ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss。可知，当门极电压阈值裕度ΔVgs_th大于dv/dt造成的门极电压变化ΔVgs时，器件Vgs_off安全裕度越大，误开通风险越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，导致导通损耗增加。

所以需要综合考量计算ΔVgs_th 后，在实验过程中实测ΔVgs，可以进一步提升实际应用的稳定性和性能。

（2）对于0V关断电压的分析
虽然驱动电压Vgs为0V时已经可以关断SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能会导致SiC MOSFET误导通，导致设备损坏，故一般不推荐使用。

当然如果是设计的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足够大，并且充分考虑到ΔVgs对SiC MOSFET误导通的影响下，可以根据自己的设计而定。

用0V关断需要重点考虑dv/dt造成的ΔVgs以及环路等效电感，对误导通的影响，在设置Vgs_off=0V时，才能让系统更加稳定。

4.Vgs(th)漂移带来的影响，以及影响Vgs(th)的因素

由于宽禁带半导体SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半导体氧化层界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。

（1）Vth漂移对应用的影响
长期来看，对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加Rds(on)。通常来说，增加 Rds(on)会增加导通损耗，进而增加结温。在计算功率循环时，需要把这个增加的结温也考虑进去。

如果开关损耗占比总损耗较高时，可以忽略Vgs(th) 漂移导致的开通损耗。

（2）Vth漂移对器件的基本功能不会被影响，主要有：
耐压能力不会受影响；
器件的可靠性等级，如抗宇宙射线能力，抵抗湿气的能力等不会受影响；
Vth漂移会对总的损耗有轻微影响；

（3）影响Vth漂移的参数主要包括：
开关次数，包括开关频率与操作时间；
驱动电压，主要是Vgs_off；

（4）以下参数对开关操作引起的Vth漂移没有影响：

结温；
漏源电压，漏极电流；
dv/dt, di/dt；

在实际应用过程中，设置的Vgs电压是对设备的可靠性，功率损耗以及驱动电路的兼容性等因素的综合考虑。

理论计算只是设计参考的一部分，也可以考虑实际测量获得真实的数据来修正设计参数。实际测量得到的ΔVgs，对设置Vgs_off会更有参考价值，并且会使得SiC MOSFET应用设计更加稳定且充分利用其性能。
同时驱动电压Vgs的设置还会受到驱动电阻Ron与Roff、驱动电流以及驱动回路等影响。