SiC MOSFET驱动负压关断的典型电路
2023/9/25 10:16:12 材料来源：ACT化合物半导体
作者：安徽芯塔电子科技有限公司 李冬黎博士、钱朋飞
SiC MOSFET驱动负压关断模式在很多应用场景中会影响器件开关的可靠性。跟Si功率器件比较，SiC MOSFET开关速度较快、dv/dt高，容易造成栅极串扰。当栅极串扰电压ΔVgs超过器件阈值电压Vgs(th)时，器件将会存在误开通风险。在这种情况下，SiC MOSFET容易损坏。因此在很多工况下，SiC MOSFET需要负压关断用以确保系统安全。
如图1所示，上管MOS关断时候，桥臂中点电位下降，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极负向串扰电压。上管开通时候，桥臂中点电位上升，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极正向串扰ΔVgs。当ΔVgs>Vgs(th)，上下功率管桥臂直通，造成器件损坏。同样原理，下管开通和关断也会在上管栅极分别造成正向和负向串扰。
△ 图1：桥臂电路中栅极串扰示意图
另外，SiC MOSFET的开启阈值电压随温度的升高而下降。因此，在栅极串扰作用下，高温下器件栅极串扰电压造成桥臂直通的风险进一步加大。因此，为防止SiC MOSFET的误导通，通常需要负压驱动。但是，目前大部分驱动芯片不支持负压驱动。本文将推荐两种驱动电路方案，基于单电源驱动芯片就可以实现负压关断。
图2为基于单电源驱动芯片的驱动电路方案一。VDD1电源通过电阻R1//R2给电容C8//C9充电，电容两端电压快速上升到D4反向击穿电压以后，D4的两端电压稳定，负压VDD2随之建立。VDD1对地PGND-HS的电压幅值大小等于正向驱动电压幅值和关断负压绝对值之和。驱动芯片6脚输出PWM驱动信号。R6为开通电阻，R6//R8为关断电阻。SiC MOSFET的栅极通过驱动芯片内部集成上拉开关管接到芯片电源（VDD1）或者下拉开关管接到芯片地（PGND-HS）。
△ 图2：负压关断驱动电路（方案一）
D4的稳压值选择取决于驱动负压大小。安徽芯塔电子第二代SiC MOSFET典型关断负压为-5V，因此D4稳压值的选取5V，例如VISHAY PTV4.7B（D0-220A封装，Vz=5V)。根据稳压管推荐的反向工作电流来计算限流电阻R1和R2。选取Iz=40mA，那么R1//R2=（25V-5V）/ 40mA=500 ohm。经计算R1和R2消耗功耗0.8W， 可以选取两个1Kohm/1W SMD电阻（封装为2512）并联。
在某些应用场景下，辅助电源无闭环电压控制，VDD1电源瞬态过压很高。这种工况下限流电阻和稳压管的功耗需要仔细核算，避免器件过热损坏。
图2的驱动方案中，VDD1辅助电源一旦有输出，负压VDD2瞬间就可以建立�；欢灾�，负压VDD2可以在PWM驱动信号使能之前建。因此，SiC MOSFET的每个开关周期都是负压关断，驱动可靠。
图3的驱动电路方案二是利用电容C1实现负压关断。C1比SiC MOSFET输入电容要大很多，以确保最长的关断时间内，C1在放电的情况下仍旧可以提供足够的负压。只有在PWM驱动信号使能条件下，VDD1通过驱动芯片内部上拉管子给C1充电。由于C1两端电压建立需要若干个开关周期。因此，SiC MOSFET在最初始的若干个PMM周期关断负压不足，如图4所示�？仄德试礁�，C1充电到稳定负压的时间越长，负压关断不足的PWM周期数越多，驱动串扰隐患加剧。
△ 图3：负压关断驱动电路（方案二）
△ 图4：栅极驱动信号和C1电压仿真结果（开关频率100KHZ，占空比0.1）
C1电容两端负压建立时间和电压纹波受开关频率和占空比的影响。C1电容增加，电容两端电压纹波减小，可是负压建立时间延长。因此，根据具体开关频率和占空比变化范围，可以优化电容C1和电阻R3，调节充放电时间常数，以平衡负压建立时间和电压纹波两个性能指标。
基于图3的驱动电路，利用LTspice对电路进行仿真以优化电路参数。栅极驱动信号和C1电压仿真结果如图4和图5所示。在开关频率100KHZ和0.1占空比工况下，电容C1两端负压40us左右（大概5个PWM周期）就建立起来，电容C1在一个开关周期内纹波电压0.1V。总上所述，开关频率过高的时候，电路方案二不建议使用。保持同样100KHz开关频率，当占空比提升到0.9时候，电容C1两端负压3us-4us就建立起来，如图5所示。
△ 图5：栅极驱动信号和C1电压仿真结果（开关频率100KHZ，占空比0.9）
从两种上述电路负压关断驱动方案的分析对比可知，两种电路方案成本相当，但第一种方案可以实现全PWM开关周期的额定负压关断，在SiC MOSFET驱动中使用更普遍。芯塔电子多款SiC MOSFET产品采用上述方案一，目前已在新能源汽车、光伏储能、充电桩等多个应用领域的头客户获得批量导入。
芯塔电子第二代 SiC MOSFET
芯塔电子目前已推出了五款650V-1700V电压等级具有自主知识产权SiC MOSFET，并且已经通过企业内部车规论证测试评估，其中数款主打型号计划在2023年通过权威第三方车规论证。2023年，公司将推出4-6款SiC MOSFET产品，包括新能源汽车主驱碳化硅功率芯片。新产品将进一步缩小芯片尺寸并优化性能，同时降低成本。
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