碳化硅mos管的优缺点驱动电路设计分析-KIA MOS管

  碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经广泛应用。

  碳化硅器件有更耐高压，在开关频率、散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件。除了禁带宽度更宽，碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗，碳化硅器件相比于硅基器件的优势体现在：阻抗更低，可以缩小产品体积，提高转换效率；频率更高，碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍，而且效率不随频率的升高而降低，能够更好的降低能量损耗；能在更高的温度下运行，同时冷却系统能做的更简单。

  碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

  碳化硅（SiC）MOS管作为一种新型功率器件，与传统的硅基功率器件相比，在某些特定条件下具有独特的优势，但也存在一定的不足。SiC MOS管具有温度高、频率高、效率高等优点，但在制造成本和可靠性方面仍存在挑战和改进空间。

  高频特性好：由于电子迁移速度快，损耗小，在高频场合下具有更加好的性能表现。

  技术有待成熟：碳化硅MOS管的商业化应用相对较新，技术和市场的认可度还要进一步提高。

  碳化硅器件的驱动选型与设计，成为发挥SiC MOSFET特性优势的关键环节。为SiC MOSFET选择正真适合的栅极驱动芯片，需要仔细考虑如下几个方面：

  由于SiC MOSFET器件需要工作在高频开关场合，其面对的由于寄生参数所带来的影响更加显著。由于SiC MOSFET本身栅极开启电压较低，在实际系统中更容易因电路串扰发生误导通，因此通常建议使用栅极负压关断。

  为了使SiC MOSFET在应用中更简易替代IGBT，各半导体厂家在SiC MOSFET设计驱动特性接近硅IGBT。常规碳化硅器件的驱动电压在+18V左右,在某些应用中能够正常的使用15V栅极开通电压，更低的驱动电压+12V。而栅极关断电压最低为-5V左右。因此，理想的适用于SiC MOSFET的驱动芯片应该能够覆盖各种不一样的栅极开通和关断电压需求，至少需要驱动芯片的供电电压压差Vpos-Vneg可达到25v。

  虽然SiC MOSFET具有较小的栅极电容，所需要的驱动功率相对于传统IGBT显著较小，但是驱动电流的大小与开关器件工作速度紧密关联，为适应高频应用快速开通关断的需求，需要为SiC MOS选择具有较大峰值输出电流的驱动芯片，并且如果输出脉冲同时兼具足够快的上升和下降速度，则驱动效果更加理想，这就从另一方面代表着要求驱动芯片的上升与下降时间参数都比较小。

  在桥式电路结构中，死区时间的设定是影响系统可靠运行的一个重要的条件。SiC MOSFET器件的开关速度较传统IGBT有了大幅度提高，许多实际使用都希望能因此进一步提升器件的工作频率，来提升系统功率密度。这也代表着系统模块设计中需要较小的死区时间设定与之匹配，同时，选择较短的死区时间，也能够保证逆变系统具有更高的输出电压质量。

  死区时间的计算，除了要考虑开关器件本身的开通与关断时间，尤其是小电流下的开关时间之外，驱动芯片的传输延时也需要考量。尤其对于本身开关速度较快的开关器件，芯片的延时在死区设定的考量中所占的比重更大。另外，在隔离型驱动设计中，一般会用的是一拖一的驱动方式，因此，芯片与芯片之间的参数匹配差异，也需要在死区设定时一并考量。要满足较小死区时间的要求，选择驱动芯片时，需要相应的参考芯片本身传输延时时间参数，以及芯片对芯片的匹配延时。

  SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上有所差异，不相同的型号SiC MOSFET短路承担接受的能力存在一定的差异，但短路保护响应时间越短越好。借鉴IGBT退饱和检测的新方法，根据开关管输出特性，SiC MOSFET漏源极电压大小可反映电流变化。与硅IGBT相比，SiC MOSFET输出特性曲线的线性区及饱和区没有明显过渡，发生短路或过流时电流上升仍然很快，这就从另一方面代表着保护电路需要更快的响应速度来进行保护。

  针对SiC MOSFET的短路保护需求，要选择检测速度快，响应时间短的驱动芯片进行保护电路设计。

  此外，根据IGBT的设计经验，每次开通时，需求设定一段消隐时间来避免由于开通前期的Vce电压从高位下降所导致的DSAET误触发。消隐时间的需要，又对本只有3us的SiC MOSFET的短路保护电路设计提出更严苛的挑战，需要驱动芯片的DESAT相关参数具有更高的精度，以实现有效的保护设计。同时，也需要更优化的驱动电路的PCB设计，保证更小的环路寄生电感的影响。

  SiC MOSFET的栅极开启电压较低，加上其寄生电容小，它对驱动电路寄生参数的影响也更加敏感，更容易造成误触发，因此常推荐使用负压进行关断。但同时，由于SiC MOSFET所能承受的栅极负压范围较小，过大的负向电压尖峰可能击穿开关管，某些厂家提出推荐较高的负压关断，甚至0v关断。此种情况下，为保证器件在关断期间不因米勒效应发生误触发，能够正常的使用带有有源米勒箝位功能的驱动芯片进行设计。

  配合SiC MOSFET使用的驱动芯片，处于高频应用环境下，这要求芯片本身就具有较高的抗干扰度。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为CMTI。现行标准中，对磁隔离型驱动芯片抗扰性地测量方法，兼顾了电压上升延与下降延dv/dt，这与实际SiC MOSFE开通和关断都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI参数可当作衡量用于驱动SiC MOSFE的驱动芯片抗扰度的技术参考。