解析SiC MOS的栅极驱动设计——驱动电压

时间： 2024-09-05 来源：昕感科技公众号

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SiC MOSFET的门极驱动设计并不复杂。和硅基IGBT、硅基超结MOSFET基本类似。设计上可简单分解为硅基IGBT的负压驱动设计能力+硅基超结MOSFET的高速开关设计能力。

与硅基器件相比，SiC MOSFET的跨导（增益）更低，内部栅极电阻更高，其栅极导通阈值在高温下可能低于2 V。因此，在关断状态下，必须向SiC MOSFET 施加负栅源电压（建议为-3~-5V）。SiC器件的栅源电压通常要求在18V~20V，以降低导通状态下的导通电阻（RDS）。SiC MOSFET工作在低VGS下可能会导致热应力或由于高RDS 而可能导致故障。与低增益相关的其他影响会直接影响几个重要的动态开关特性，在设计适当的栅极驱动电路时必须考虑这些影响，包括驱动电压，外接栅级，驱动能力（输出峰值电流、开关频率等），栅极电荷（米勒平台），传输延迟时间（一次侧-二次侧之间等），保护功能（Miller Clamp、DESAT、OCP、UVLO 等），共模瞬态抑制（CMTI：Common Mode Transient Immunity）等。

受篇幅限制，本文昕感科技分享的是驱动电压部分。

驱动开通的正压和关断的负压，昕感科技的SiC MOSFET单管的驱动电压有+18V/-5V，+18V/-4V，+20V/-5V三种。建议参考规格书中VGSop。

正压：建议使用规格书推荐的+18V/+20V驱动电压。过低的正压，比如适合硅基材质的+15V，RDS(on)会增大，如图1所示，增加导通损耗。超过推荐的+18V/+20V正压驱动碳化硅MOSFET是不必要的，应避免震荡的时超过VGS绝对最大额定值，如图2。

负压：建议使用规格书推荐的-4V/-5V，应避免震荡时超过VGS低于负压最大额定值-8/-10V，如图2。

对于关断电压是-4V或-5V还是0V

首先参考SiC MOSFET的DATASHEET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越大于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。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。

对于0V关断电压探讨

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

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。故一般不推荐0V关闭。

对于整机起机的时候，建议初始Vgs电压是-4V或-5V。以避免无序时候的误导通。

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