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SiC mosfet的應(yīng)用目前來看非常廣泛，包括充電樁，車載及便攜式OBC，光伏及儲能系統(tǒng)等，在SiC電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，驅(qū)動電壓VGS的選擇非常重要，它決定了是否可以充分發(fā)揮SiC mosfet的性能優(yōu)勢，本文就這一話題做一個詳細(xì)探討，對SiC mosfet的驅(qū)動電壓做一個推薦的同時(shí)，也回答一些關(guān)于驅(qū)動電壓變化導(dǎo)致的器件性能變化的影響的問題。

一.基本概念定義及驅(qū)動電壓影響因素

不同廠家對SiC mosfet的門級驅(qū)動電壓的規(guī)格定義都不盡相同，但是大多數(shù)都會包含以下參數(shù)。

VGS,加在mosfet的門級和源極之間的電壓，VGSon，穩(wěn)態(tài)時(shí)用于開通mosfet的VGS電壓，VGSoff，穩(wěn)態(tài)時(shí)用于關(guān)斷mosfet的VGS電壓，VGSmax，廠家允許的最大加在門源極之間的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動電壓,包含正的值和負(fù)的值，VGS-OP,廠家推薦的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的VGSon和VGSoff值。

有些規(guī)格書不像Si mosfet一樣指定應(yīng)用的VGSon和VGSoff，意味著不同的應(yīng)用可以選擇不同的驅(qū)動電壓值。

圖1 SiC mosfet的門源電壓推薦值

以Microchip的SiC mosfet為例，最優(yōu)的推薦的門級驅(qū)動電壓，VGSon是+20V,VGSoff是-5V,但是做一定驅(qū)動電壓的減小，也是可以允許的，且器件可以很好的工作，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要辯證的考慮驅(qū)動電壓降低帶來的影響，如損耗及其它方面。

首先，我們概括性的說一下降低驅(qū)動電壓變化帶來的影響的方面，

A，最直接的影響是，增加了導(dǎo)通電阻Rdson，這會導(dǎo)致導(dǎo)通損耗的增加，

B，減小了峰值電流的通流能力，即飽和電流的能力，

C，延長了器件短路耐受時(shí)間，

D，擴(kuò)展了門級氧化物的壽命，

E，相同的門級電阻條件下，增加了開關(guān)損耗，

接下來，我們會詳細(xì)討論這些方面的影響。

二.SiC mosfet的Rdson受溫度及驅(qū)動電壓影響

以下圖2所示的四個曲線，是基于20V驅(qū)動電壓，25C下歸一化Rdson，隨著結(jié)溫Tj的增加，我們看看器件的Rdson如何變化，這里四個曲線代表Micochip不同電壓等級的最大的器件Die的SiC mosfet產(chǎn)品，700V/15mohm，1200V/17mohm,1700V/35mohm,3300V/25mohm等產(chǎn)品。

通過這些曲線，我們可以得到如下的一般結(jié)論，

A，隨著溫度的增加，SiC mosfet的Rdson增加的比Si mosfet少，

B，Microchip的SiC mosfet在抬高結(jié)溫下，比競爭對手產(chǎn)品增加的Rdson少，

C，在18V驅(qū)動電壓下，Rdson增加的非常少，尤其在高結(jié)溫下甚至于會降低Rdson，

D，在15V的驅(qū)動電壓下，Rdson增加的較多，尤其是低的結(jié)溫下，

圖2 在不同的驅(qū)動電壓下Rdson受溫度的影響

這里我們也討論一下驅(qū)動電壓+20V的由來，為什么會選擇+20V作為優(yōu)化的驅(qū)動電壓呢？

首先SiC 是一種寬禁帶器件，因此相比Si mosfet，需要較高的電場去驅(qū)動SiC mosfet器件，那么通過增加VGS電壓，是一種簡易的方式，但是需要特殊設(shè)計(jì)原有的Si mosfet的驅(qū)動芯片，同時(shí)，減小門級氧化物的厚度，也是改善驅(qū)動難度的一種方式，但是這會導(dǎo)致比較容易產(chǎn)生失效。當(dāng)然，增加die的面積，是一種增加驅(qū)動電流的方式，但是會增加成本，因此，最終的各方折衷是采取+20V的驅(qū)動電壓VGS.

接著，我們討論一下降低驅(qū)動電壓對Rdson的影響，當(dāng)降低驅(qū)動電壓后，設(shè)計(jì)者需要考慮在自己關(guān)心的結(jié)溫Tj范圍內(nèi)，Rdson的變化是否可以被應(yīng)用接受。

這里，我們提供一些Microchip的SiC mosfet生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明，18V的驅(qū)動電壓，可以得到和20V驅(qū)動電壓較一致的Rdson數(shù)據(jù)，例如，在1200V的SiC mosfet上，在175C結(jié)溫時(shí)，18V的驅(qū)動僅僅比20V的驅(qū)動電壓時(shí)高出4%的Rdson，這是可以接受的變化。

進(jìn)一步的變化VGSon為15V,則它的Rdson的變化會比20V驅(qū)動時(shí)高達(dá)4倍，并且這個值和VGSth有關(guān)，因此，我們不推薦采用15V驅(qū)動電壓，如果一定要選擇15V驅(qū)動電壓，那么需要對Rdson進(jìn)行更大設(shè)計(jì)裕量的選擇。

對于器件并聯(lián)這個話題來說，我們從圖上可以看到，當(dāng)SiC mosfet的驅(qū)動電壓小于20V時(shí)，在一定的結(jié)溫范圍內(nèi)，其Rdson溫度系數(shù)變?yōu)樨?fù)溫度系數(shù)。這里舉一個例子，700V耐壓的SiC mosfet，在15V驅(qū)動電壓下驅(qū)動，在高達(dá)80-100C范圍內(nèi)，其表現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)的Rdson，設(shè)計(jì)者為了確保并聯(lián)mosfet的均流特性，所以，采用18V的驅(qū)動是最可行的方式。

三.SiC mosfet最大電流能力受驅(qū)動電壓的影響

圖3 不同驅(qū)動電壓下的電流能力

從圖上看，當(dāng)采用不同的驅(qū)動電壓時(shí)，當(dāng)驅(qū)動電壓較低時(shí)，從I/V曲線上看，溝道不能完全打開，因此其電流能力受到限制。

這里圖中表示的是MSC360SMA120B這個1200V的SiC mosfet，在Tj為150C時(shí)的驅(qū)動電壓影響，可看出18V驅(qū)動和20V驅(qū)動之間的I/V曲線差異非常小，而16V驅(qū)動和20V驅(qū)動之間的差異就比較明顯了。

在低電壓驅(qū)動時(shí)，由于電流能力的減弱，設(shè)計(jì)者需要對過流保護(hù)點(diǎn)進(jìn)行重新考慮。器件的小信號跨導(dǎo)，gm，在較低的VGSon時(shí)，會變得較大，這個影響可能導(dǎo)致開關(guān)的不穩(wěn)定性，因?yàn)?/span>VGS在較高的VDS電壓下處在一個中間范圍，這會導(dǎo)致短路事件（考慮到峰值電流決定于VGSon的精確的值和持續(xù)時(shí)間）。

四．SiC mosfet驅(qū)動電壓對短路耐受時(shí)間的影響

根據(jù)前述部分所示，降低VGSon時(shí)，最大電流能力將受到限制，短路時(shí)的最大電流能力也將受到限制，這將導(dǎo)致器件較長的短路電流耐受時(shí)間。

接下來這個例子，我們以MSC035SMA070B為例，測試VDS在350V,470V,560V的時(shí)候，及VGS在20V,18V,15V的情況，可以看出對短路電流耐受時(shí)間SCWT影響最大的是漏極電壓，其次是門級驅(qū)動電壓。

圖4 MSC035SMA070B的短路耐受時(shí)間測試

從圖4上看，漏極電壓越大，則短路電流耐受時(shí)間越小，這是合理的趨勢。同時(shí)，門級電壓越大，溝道開通越充分，則短路電流耐受時(shí)間越小。

當(dāng)在系統(tǒng)應(yīng)用中，發(fā)生短路情況時(shí)，我們需要一些考慮。在規(guī)格書顯示的短路耐受時(shí)間，是一個器件發(fā)生失效的典型時(shí)間，之后器件將失去正常的功能。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，一般失效發(fā)生于器件關(guān)斷后，余下的熱量會導(dǎo)致相關(guān)的損壞。

現(xiàn)實(shí)中更合理的需求可能是，在一定次數(shù)的短路時(shí)間之后，一定個數(shù)的器件依然在工作。通過增加器件的size，或者采用多器件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在減小的電流水平下，擴(kuò)展器件的短路耐受時(shí)間。

五．SiC mosfet的驅(qū)動電壓和設(shè)計(jì)壽命的關(guān)系

圖5 器件設(shè)計(jì)壽命和門級驅(qū)動電壓的關(guān)系

從上圖可以看出，隨著門級電壓橫坐標(biāo)和三條曲線上的溫度的增加，門級電壓越高，溫度越高，則設(shè)計(jì)壽命越小。從圖上也可以看出，當(dāng)門級電壓每增加2.5V時(shí)，則設(shè)計(jì)壽命（縱坐標(biāo)對數(shù)坐標(biāo)）將減小一個數(shù)量級。上述結(jié)論在很寬的工作范圍內(nèi)都是成立的，這是一個磨損機(jī)制，在時(shí)間的積累上去累積失效。

根據(jù)相關(guān)研究，門級氧化物的壽命，主要取決于穩(wěn)態(tài)的門級驅(qū)動電壓，對于穩(wěn)態(tài)的門級驅(qū)動電壓，基于器件的設(shè)計(jì)壽命，推薦最大23V的最大門級額定電壓。

一般來說，VGS的瞬態(tài)過沖不會影響器件壽命，源于它們短暫的周期。這里給大家舉一個例子，假定一個方形的20ns的25V過沖,施加在一個正常驅(qū)動電壓為20V的器件上，從氧化物壽命圖來看，在那個脈沖期間，氧化物的衰減率是80倍，然而，實(shí)際的開關(guān)頻率是100kHz，因此占空比因子是0.002，相應(yīng)的應(yīng)力是僅僅0.002*80=16%。

實(shí)際上，瞬態(tài)的VGS在封裝的pin上很難觀察到，門級和源極上的引線電感導(dǎo)致測量實(shí)際的門極電壓過沖很困難，由于門級大電容的存在，門級驅(qū)動信號正常時(shí)總是過阻尼的，過沖電壓常常不是一個問題，這是非常容易在仿真中觀察到的。

總的說來，門級驅(qū)動電壓對SiC mosfet的性能影響主要如下：

Microchip的SiC mosfet可以在18V的驅(qū)動電壓下運(yùn)行，相比于最優(yōu)化的20V驅(qū)動電壓來說，僅僅有非常小的性能損失。從上面的圖3可以看出，在常溫25C下，Rdson增加的較多，而在高結(jié)溫100-150C間Rdson變化很小。

通常如果die是熱的話，不會由于常溫下Rdson增加導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗而受損失。

由于驅(qū)動電壓的降低，采用相同的門級串聯(lián)電阻的話，開關(guān)損耗會進(jìn)一步增加，而采用較低的驅(qū)動電壓時(shí)，器件的飽和電流會降低，所以導(dǎo)致的積極的方面是器件短路耐受時(shí)間會增加。

更重要的是，采用18V以下的驅(qū)動電壓時(shí)，Rdson會有較大變化，因此會帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此不推薦，如果要用這樣的驅(qū)動電壓，那么需要為Rdson做很大裕量的設(shè)計(jì)。此時(shí)，在器件并聯(lián)時(shí)，尤其是低結(jié)溫下，器件的均流將是一個不得不面對的問題。

六.SiC mosfet關(guān)斷驅(qū)動電壓VGSoff的設(shè)計(jì)

對于SiC mosfet的關(guān)斷電壓這一話題，首先，Microchip的SiC mosfet是常閉狀態(tài)的晶體管，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，為了保持開關(guān)關(guān)斷，本身是不需要負(fù)壓的。負(fù)壓驅(qū)動的使用，主要是為了在瞬態(tài)時(shí)降低開關(guān)損耗，加強(qiáng)開關(guān)的穩(wěn)定性。

具體來說，源極的寄生電感會延緩關(guān)斷的過程，負(fù)的驅(qū)動電壓是為了避免這一影響，同時(shí)，負(fù)的驅(qū)動電壓可以提供更多的關(guān)斷信號裕量，避免由于開關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致的誤開通。事實(shí)上，負(fù)壓關(guān)斷在Si 的IGBT產(chǎn)品上已經(jīng)用了十多年，它并非專屬于SiC mosfet產(chǎn)品。

在更為復(fù)雜的SiC 模塊上，分布式的晶體管結(jié)構(gòu)，將需要更高的VGSoff電壓，以避免開關(guān)的不穩(wěn)定性，相對而言，單個分立器件的設(shè)計(jì)，僅僅需要一個小的負(fù)壓關(guān)斷信號。

七．SiC mosfet的三象限導(dǎo)通性能

和Si的IGBT不同，SiC mosfet在兩個方向上都可以導(dǎo)通，下圖6顯示的是Microchip的SiC mosfet MSC360SMA120B的三象限導(dǎo)通性能。所謂三象限導(dǎo)通，簡單來說就是當(dāng)drain電壓反向時(shí)，drain電流也反向，如果mosfet的通道是關(guān)斷時(shí)，其體二極管就承載全部的drain電流，則VGS為-5V時(shí)，所有電流流過體二極管。當(dāng)VGS在增加時(shí)，mosfet的導(dǎo)通溝道開始形成，但是保持一個較大的壓降，即使VGS為0時(shí)，體二極管也承載大部分的drain電流，接著是開關(guān)瞬態(tài)，導(dǎo)通溝道得以打開，開始傳導(dǎo)反向電流，進(jìn)一步改善導(dǎo)通損耗，這就是同步整流的概念。

圖6  MSC360SMA120B的三象限I/V特性

八．SiC mosfet的可靠穩(wěn)定的體二極管

首先，我們可以說的是，使用Microchip的SiC mosfet的體二極管是沒什么限制的，但是對于所有的供應(yīng)商并非都如此。

近年來的一些第三方測試顯示，競爭對手的SiC mosfet的體二極管在一定時(shí)間老化后有不同程度的降級，有些情況下，在168小時(shí)的老化后，導(dǎo)通損耗增加20%。

在10小時(shí)的老化時(shí)間后，有些廠家的體二極管損耗會加倍，實(shí)際上，這個降級機(jī)制，就是重組增強(qiáng)移位，這種現(xiàn)象在其它半導(dǎo)體產(chǎn)品上也可以被理解和觀察到，如SiGe，CdS,GaAs等，在SiC的產(chǎn)品上，這種機(jī)制也是存在的。

總的來說，用戶可以放心使用Microchip的SiC mosfet的體二極管。

九．負(fù)壓驅(qū)動和開關(guān)噪聲敏感度

當(dāng)使用VGSoff為0V時(shí)作為SiC mosfet的關(guān)斷驅(qū)動電壓，在高速硬開關(guān)應(yīng)用中，需要特別注意。在討論一些注意事項(xiàng)前，需要對門限電壓，夾斷電壓概念需要確認(rèn)，如下圖7的表格2來自于Microchip的SiC mosfet，1200V,80mohm的TO247封裝的器件。

圖7 MSC080SMA120B的門源極導(dǎo)通門限電壓

由于行業(yè)慣例，典型的門限電壓是在VGS=VDS,Tj為25C時(shí)，drain電流為1mA時(shí)測試。在Vth下，drain電流比較小，因此我們用更多的相關(guān)的參數(shù)去表示，如夾斷電壓Vp。具體而言，Vp電壓是指，在一定的VDS電壓下，產(chǎn)生一定的drain電流時(shí)VGS電壓。

一般的，Vp電壓依賴于VDS電壓，不同廠家的mosfet會不一樣，相比于平面型的mosfet，溝槽結(jié)構(gòu)的mosfet會具有較高的Vp，由于這個原因，為了保證安全運(yùn)行，溝槽型的mosfet的常溫Vth值會比需要的高一些。這意味著平面的mosfet可以提供Vp更多的設(shè)計(jì)裕量，這會帶給我們開關(guān)噪聲敏感度的關(guān)鍵信息。

開關(guān)噪聲敏感度的真正裕量，需要在最高可能的VDS電壓下，及最高結(jié)溫下175C下得到。對于Microchip當(dāng)前一代的SiC mosfet，microchip可以保證在VGSoff為0V時(shí)，Tj為175C時(shí)可靠關(guān)斷SiC mosfet。使用一個負(fù)的VGSoff可以提供Vp的更多裕量，這可以加強(qiáng)開關(guān)的穩(wěn)定性，是避免誤開通的最正確的方式。

在半橋電路的配置中，誤開通來自于米勒電容CGD, 如圖8所示.當(dāng)上管開通時(shí)，中點(diǎn)電壓的dv/dt會導(dǎo)致CGD流過大電流，這就會在門級關(guān)斷電阻ROFF上產(chǎn)生一個大的電壓差, 這個電壓差將會導(dǎo)致下管的實(shí)際的門極電壓VGS高于穩(wěn)態(tài)的關(guān)斷電壓VEE,這個電壓足夠高的話會開通下管Q1,在Vp上的裕量會阻止誤開通。

圖8 半橋電路開關(guān)誤導(dǎo)通

鑒于以上的討論，Microchip一般不推薦使用VGSoff為0，對于單端的拓?fù)洌绶醇?，正激?/span>boost等，沒有直通的風(fēng)險(xiǎn)，所以可以考慮使用VGSoff=0，當(dāng)Vgsoff為0絕對需要時(shí)，需要對門源回路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，需要引起注意；

具體的，設(shè)計(jì)者需要盡可能地減小三件事情：

1減小寄生CGD電容，

2減小門源級環(huán)路電感，

3減小門源回路和主電流的共同回路的共享的電感。

總結(jié)：本文主要提供了一個指導(dǎo)，對于Microchip的SiC mosfet的門源電壓指標(biāo)，以及設(shè)計(jì)考慮，以便滿足大多數(shù)有效的門級驅(qū)動電路要求。

1.為了最好的導(dǎo)通及開關(guān)性能，Microchip推薦驅(qū)動電壓VGSon為+20V,和VGSoff -5V.

2.允許基于上述推薦基礎(chǔ)上，改變驅(qū)動電壓，Microchip的SiC mosfet可以運(yùn)行在18V的電壓，造成微小的電流能力衰減，及導(dǎo)通效率的衰減，但是可以帶來短路耐受時(shí)間較長的好處。

3.驅(qū)動Microchip當(dāng)前一代的SiC mosfet使用VGSon=15V是不推薦的做法。

4.Microchip確保在VGSoff=0時(shí)，175C結(jié)溫時(shí)可以關(guān)斷mosfet，使用負(fù)壓關(guān)斷可以提供更大的Vp裕量，這可以加強(qiáng)開關(guān)穩(wěn)定性，它是最確定的避免誤開通的方式。