一種智能的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)核及驅(qū)動(dòng)要求與特性詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-04-27
在SiC MOSFET的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級(jí)的Si MOSFET相比，SiC MOSFET導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。
近年來(lái)，以碳化硅、氮化鎵材料為代表的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件越來(lái)越受到客戶的追捧。特別是碳化硅材料的MOSFET、肖特基二極管，以其寬帶隙，高電場(chǎng)強(qiáng)度，良好散熱特性，以及高可靠性等特點(diǎn)，為客戶的產(chǎn)品帶來(lái)高效率，高頻率，小體積，降低系統(tǒng)成本等效益，廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電，新能源汽車，通信基站電源，充電樁，高鐵，電網(wǎng)輸電等領(lǐng)域。
業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅制造商Wolfspeed（A Cree Company），推出650V～15kV的SiC MOSFET器件，憑借其優(yōu)越的性能、可靠的品質(zhì)以及強(qiáng)有力的技術(shù)支持，贏得了客戶的信賴，成為引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)品。其中，650V～1700V的分立器件SiC MOSFET尤其受到歡迎。
碳化硅MOSFET擁有超低的開(kāi)關(guān)損耗，僅為硅IGBT十分之一，快速開(kāi)關(guān)的特性意味著可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化和小型化，并提高效率。
高壓及超快的開(kāi)關(guān)速度帶來(lái)的超高di/dt，dv/dt，會(huì)通過(guò)系統(tǒng)的雜散電感，電容形成干擾，對(duì)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。原有的Si MOSFET應(yīng)用設(shè)計(jì)理論還會(huì)適用，然而一些在硅器件開(kāi)關(guān)速度的環(huán)境下是微不足道的參數(shù)，卻會(huì)在高速的SiC器件應(yīng)用中產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。
SiC MOSFET的門(mén)極是一個(gè)耐壓非對(duì)稱體，以行業(yè)龍頭Wolfspeed器件為例，其第二代SiC MOSFET的耐受電壓為+25/-10V，推薦工作電壓為+20/-5V，其中閾值電壓最小僅為+2.0V，與傳統(tǒng)Si MOSFET，IGBT完全不兼容。改進(jìn)后第三代的耐受電壓為+19/-8V，推薦工作電壓為+15/-4V，其中最小閾值電壓下降到了+1.7V（如下圖所示）。在碳化硅MOSFET的閾值電壓非常低，在超快速的di/dt，dv/dt下，為了避免高速開(kāi)關(guān)帶來(lái)的串?dāng)_，譬如誤開(kāi)通，門(mén)極超壓，直通短路等，需要在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上做一些必要的改進(jìn)。
SiC MOSFET與傳統(tǒng)MOSFET的門(mén)極耐受電壓及閾值電壓對(duì)比
為了讓客戶能夠更快速地，更容易地使用并熟悉SiC MOSFET以及其驅(qū)動(dòng)的性能及特性，深圳市鵬源電子有限公司新推出的【α】系列驅(qū)動(dòng)核（APD06XXXA1C-17），是專門(mén)為Wolfspeed公司的一系列分立SiC MOSFET設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單易用驅(qū)動(dòng)器。
【α】系列驅(qū)動(dòng)核具有短路保護(hù)，米勒鉗位，過(guò)溫保護(hù)，欠壓保護(hù)等優(yōu)異特性，有簡(jiǎn)單易用的集成驅(qū)動(dòng)電源版本和性價(jià)比極高的外置驅(qū)動(dòng)電源版本可供不同客戶需要進(jìn)行選擇，目前集成驅(qū)動(dòng)電源版本已經(jīng)可以供貨。為了針對(duì)第二代和第三代SiC MOSFET的應(yīng)用，【α】驅(qū)動(dòng)核目前推出APD06204A1C-17（+20V/-4），APD06153A1C-17（+15V/-3V）兩個(gè)型號(hào)，可兼容Wolfspeed 650V～1700V單管SiC MOSFET，支持500kHz的開(kāi)關(guān)頻率，以及100kV/us的高dv/dt抗干擾能力。
1、導(dǎo)通電阻隨溫度變化率較小，高溫情況下導(dǎo)通阻抗很低，能在惡劣的環(huán)境下很好的工作。
2、隨著門(mén)極電壓的升高，導(dǎo)通電阻越小，表現(xiàn)更接近于壓控電阻。
3、開(kāi)通需要門(mén)極電荷較小，總體驅(qū)動(dòng)功率較低，其體二極管Vf較高，但反向恢復(fù)性很好，可以降低開(kāi)通損耗。
4、具有更小的結(jié)電容，關(guān)斷速度較快，關(guān)斷損耗更小。
5、開(kāi)關(guān)損耗小，可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得濾波器等無(wú)源器件小型化，提高功率密度。
6、開(kāi)通電壓高于高于SI器件，推薦使用Vgs為18V或者20V，雖然開(kāi)啟電壓只有2．7V，但只有驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到18V～20V時(shí)才能完全開(kāi)通。
7、誤觸發(fā)耐性稍差，需要有源鉗位電路或者施加負(fù)電壓防止其誤觸發(fā)。
1、觸發(fā)脈沖有比較快的上升速度和下降速度，脈沖前沿和后沿要陡。
2、驅(qū)動(dòng)回路的阻抗不能太大，開(kāi)通時(shí)快速對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)柵極電容能夠快速放電。
3、驅(qū)動(dòng)電路能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流
4、驅(qū)動(dòng)電路能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，減小SIC MOSFET的導(dǎo)通損耗。
5、驅(qū)動(dòng)電路采用負(fù)壓關(guān)斷，防止誤導(dǎo)通，增強(qiáng)其抗干擾能力。
6、驅(qū)動(dòng)電路整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路寄生電感要小，驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近功率管。
7、驅(qū)動(dòng)電路峰值電流Imax要更大，減小米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間，提高開(kāi)關(guān)速度。
對(duì)于有IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，SIC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)類似，可以在原來(lái)的驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行修改參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
SIC MOSFET電源的設(shè)計(jì)，根據(jù)其特性，需要有負(fù)壓關(guān)斷和相比SI MOSFET較高的驅(qū)動(dòng)電壓，一般設(shè)計(jì)電源為－6V～＋22V，根據(jù)不同廠家的不同Datasheet大家選擇合適的電源正負(fù)電壓的設(shè)計(jì)，這里只給出一個(gè)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)范圍。可以將IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行稍微修改使用在這里，比如，特斯拉在分立IGBT和SIC IGBT上都是用反激電源，具體電路參考?xì)v史文章中對(duì)特斯拉Model S 與Model 3的硬件對(duì)比分析中，也可以使用電源模塊，比如國(guó)內(nèi)做的比較好的金升陽(yáng)的電源模塊，可以降低設(shè)計(jì)難度，但成本也會(huì)相應(yīng)的升高。
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