使用矽MOSFET可以實現高頻(數百kHz)開關，但它們不能用於非常高的電壓(>1,000V)。而IGBT雖然可以在高壓下使用，但其 「拖尾電流 」(tailing current)和緩慢的關斷使其僅限於低頻開關應用。

SiC MOSFET則兩全其美，可實現在高壓下的高頻開關，然而，SiC MOSFET的獨特元件特性意味著它們對閘極驅動電路有特殊的要求。瞭解這些特性後，設計人員就可以選擇能提高元件可靠性和整體開關性能的閘極驅動器。本文討論了SiC MOSFET元件的特點，以及它們對閘極驅動電路的要求，然後介紹一種能解決這些問題和其他系統級考慮因素的IC方案。

SiC MOSFET特性

與矽元件相比，SiC MOSFET的跨導(增益)更低，內部閘極電阻更高，其閘極導通閾值可能低於2V。因此，在關斷狀態下，必須向SiC MOSFET施加負閘源電壓(通常為-5V)。SiC元件的閘源電壓通常要求在18V~20V之間，以降低導通狀態下的導通電阻(RDS)。SiC MOSFET工作在低VGS下可能會導致熱應力或由於高RDS而可能導致故障。與低增益相關的其他影響會直接影響幾個重要的動態開關特性，在設計適當的閘極驅動電路時必須考慮這些影響，包括導通電阻、閘極電荷(米勒平台，Miller plateau)和過電流(DESAT)保護。

導通電阻

在低VGS時，一些SiC元件的導通電阻與結溫特性之間的關係曲線看起來是拋物線(由於內部元件特性的組合，這適用於安森美M1和M2 SiC MOSFET)。當VGS = 14V時，RDS似乎具有負溫度係數(NTC)特性，即電阻隨溫度升高而降低。SiC MOSFET的這一獨特特徵直接歸因於其低增益，這意味著如果兩個或更多的SiC MOSFET並聯工作在低VGS (負溫度係數)下，可能會導致災難性損壞。因此，只有當VGS足以確保可靠的正溫度係數工作時(即VGS>18V)，才建議將SiC MOSFET並聯工作。

圖1：M1或M2 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關係曲線。

新一代M3 SiC在所有VGS和所有溫度範圍都顯示正溫度係數。

圖2：M3 SiC MOSFET的導通電阻與結溫之間的關係曲線。

閘極電荷

向SiC MOSFET施加閘源電壓(VGS)時，電荷被傳輸以儘快使VGS從VGS (MIN、VEE)和VGS (MAX、VDD)升高。由於元件的內部電容是非線性的，因此可以使用VGS與閘極電荷(QG)的關係曲線來確定在給定的VGS下必須傳輸多少電荷。SiC MOSFET的這種「米勒平台 」發生在較高的VGS上，而且不像矽MOSFET那樣平坦。不平坦的米勒平台意味著在相應的電荷範圍內，VGS不是不變的，這也是由於元件低增益導致。同樣值得注意的是，QG = 0nC (關斷SiC MOSFET所需的電荷量)不會發生在VGS = 0V時，因此VGS必須為負(本例中為-5V)，以使閘極完全放電。

由於想測量導通或關斷SiC MOSFET所需的電荷量，曲線只繪製了Qg的增量(或Qg的累積或Qg的變化)。這個數值也叫Qg，可能會引起混淆，需要將這張圖3解讀為需要的能量，而不純粹是儲存在閘源電容器中的能量。

圖3：SiC MOSFET閘源電壓與閘極電荷的關係。

使用負閘極驅動阻斷電壓主要是為了減少關斷狀態下的漏電流。這也是由於跨導增益低造成。使用負的阻斷電壓還可以減少開關損耗，主要是在關斷期間的開關損耗。因此，幾乎對於所有的SiC MOSFET，都建議在關斷狀態下使用的最小VGS為-5V < VGS(MIN) < -2V，有些製造商規定電壓需低至-10V。

DESAT

DESAT保護是一種過電流檢測，起源於IGBT的驅動電路。在導通時，如果IGBT不能再保持飽和狀態(「去飽和」)，集電極-發射極電壓就會上升，同時全集電極電流流過。顯然，這對效率有不利影響，在最壞的情況下，可能導致IGBT的災難性故障。所謂的「DESAT 」功能監測IGBT的集電極-發射極電壓，並檢測何時出現潛在的破壞性條件。雖然SiC MOSFET中的故障機制有些不同，但會有類似的情況，在最大ID流過時VDS可能上升。

如果導通期間的最大VGS太低，閘極驅動導通沿太慢，或者存在短路或超載情況，就會出現這種不理想的條件。在滿載ID的情況下，RDS會增加，導致VDS意外上升。當SiC MOSFET發生欠飽和事件時，VDS的反應非常迅速，而最大汲極電流繼續流過不斷增加的導通電阻。當VDS達到預定的閾值時，就可以啟動保護。應特別注意避免感測VDS的延遲，因為延遲會掩蓋這種現象。因此，DESAT是閘極驅動電路的一個重要的輔助性保護。

動態開關

SiC MOSFET的導通和關斷狀態有四個不同的階段，動態開關波形呈現的是理想工作條件的情況。然而，在實踐中，封裝寄生物，如引線和鍵合線電感、寄生電容和PCB佈局會極大地影響實際波形。合適的元件選擇、最佳的PCB佈局，以及對設計好的閘極驅動電路的重視，對於最佳化開關電源應用中使用的SiC MOSFET的性能都是至關重要的。

圖4：SiC MOSFET導通序列的4個階段。

閘極驅動電路的設計要求

為了補償元件低增益，同時實現高效、高速的開關，對SiC閘極驅動電路有以下關鍵要求：

．對於大多數SiC MOSFET，驅動電壓在-5V > VGS > 20V之間時性能最佳。閘極驅動電路應能承受VDD = 25V和VEE = -10V，以適用於最廣泛的可用元件；

．VGS必須有快速的上升邊緣和下降邊緣(在幾ns範圍內)；

．在整個米勒平台區域內，有能力提供高的峰值閘極灌電流和拉電流(數安培)；

．當VGS下降到米勒平台以下時，需要提供一個非常低的阻抗保持或「鉗位」，以實現高的灌電流能力。灌電流的額定值應超過僅對SiC MOSFET的輸入電容放電所需的電流。10A左右的峰值灌電流最小額定值應適用於高性能、半橋電源拓撲結構；

．VDD欠壓鎖定(UVLO)水準，與開關開始前VGS > ~16V的要求相匹配；

．VEE UVLO監測能力確保負電壓軌在可接受的範圍內；

．能夠檢測、報告故障和提供保護的去飽和功能，使SiC MOSFET長期可靠運作；

．支持高速開關的低寄生電感；

．小尺寸驅動器封裝，佈局盡可能靠近SiC MOSFET。

閘極驅動器方案

安森美的NCP51705是一款SiC閘極驅動器IC，提供高的設計靈活度和整合度，幾乎與任何SiC MOSFET相容。NCP51705整合許多通用閘極驅動器IC所共有的功能，包括：

．VDD正電源電壓最高28V；

．高峰值輸出電流：6A拉電流和10A灌電流

．內建5V基準可用於偏置5V、20mA以下的低功耗負載(數位隔離器、光耦合器、微控制器等)；

．單獨的訊號和電源接地連接；

．單獨的源和灌輸出引腳；

．內建熱關斷保護；

．單獨的非反相和反相TTL、PWM輸入。

圖5：NCP51705 SiC閘極驅動器框架圖。

然而，該IC整合幾個獨特的功能，能夠以最少的外部元元件設計出可靠的SiC MOSFET閘極驅動電路。這些功能包括：

．DESAT

．電荷泵(用於設置負電壓軌)

．可編程的UVLO

．數位同步和故障報告

．24引腳，4毫米×4毫米，熱增強型MLP封裝，便於板級整合

總結

在選擇合適的閘極驅動器IC時，SiC MOSFET的低增益給設計人員帶來了難題。通用的低邊閘極驅動器不能高效和可靠地驅動SiC MOSFET。閘極驅動器IC整合一系列功能，為設計人員提供了一個簡單、高性能、高速的解決方案，高效、可靠地驅動SiC MOSFET。

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