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栅极驱动器以及通过碳化硅MOSFET进行栅极驱动

Guy Moxey
Oct 19, 2021
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栅极驱动器以及通过碳化硅MOSFET进行栅极驱动

碳化硅(SiC)MOSFET的使用促使了多个应用的高效率电力输送,比如电动车快速充电、供电、可再生能源以及电网基础设施。虽然它们的表现比传统的硅MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)更为出色,但驱动方式却不尽相同,必须要在设计过程中进行缜密的思考。以下是一些对碳化硅应用进行栅极驱动器研究时的示例要求:

  • 推荐驱动电压为+15V/-3V
  • 共模瞬态抗扰度(CMTI)大于100 kV/µs
  • 最大工作绝缘电压可达1700 V
  • 驱动能力可达10 A
  • 传输延迟时间小于50ns和频道不匹配时间小于10 ns
  • 主动米勒钳位
  • 快速短路保护(SCP)(小于1.8 µs)

对于碳化硅MOSFET的一般驱动考虑

鉴于这些要求,需要考虑几个单独的栅极驱动器技术。磁耦合驱动器是一个相对成熟的技术,但是在磁场应用中也会成为一个令人关切的问题。电容耦合驱动器具备来自高电压应力和改进后对外部磁场抗扰度的出色保护,同时以最低的延迟提供非常迅捷的转换。但是,这项技术仍然容易受高电场应用问题的影响。作为更为传统的绝缘方式、光耦合非常有效并可提供出色的瞬变和噪音保护,但是由于曝光增加和LED特性,随着时间推进会逐渐减弱。

随着系统功率和频率增加,栅极驱动功率要求也会提高。设计人员应确保驱动器具备足够的驱动能力保证MOSFET完全导通。保持栅极驱动器内部FET RDS(on)处于低位以及更高的电流输送和更快的开关速度,但是总平均功率要求取决于开关频率、总栅极电荷(以及任何其置于栅极上的电容)、栅极电压摆动以及并联碳化硅MOSFET的数量或P=(Freq x Qg x Vgs(total)x N)。其中P是平均功率,Freq是开关频率,Qg是总栅极电荷,Vgs(total)是总栅极电压摆动,N是并联数量。 需要特别注意的是最大VGS 额定值,转换时应允许振荡和过冲,正如图 1当中所示的那样。其次,对于开通/关断来说,最大标称电源电压(15 V,–4 V)应确保安全运行和长期可靠性。在带有相对紧凑反馈控制的实用设计中,对于开通/关断来说,可以实现±2% 的公差,虽然多绕组反激电源可以接受±5%的公差。

图 1:转换时显示典型栅极驱动器电压特点图

碳化硅MOSFET比硅MOSFET开关速度更快,所以碳化硅栅极驱动器的设计要求能够承受更高dV/dt(转换期间漏极-源极电压变化率)是非常关键的,因为这会对MOSFET造成振荡和损坏。在硬开关应用中,碳化硅MOSFET能够产生超过150 V/ns的dV/dt,所以推荐使用带有高CMTI 额定值的驱动器。

一些PCB布局建议及技巧

图 2:碳化硅MOSFET抑制噪音和栅极震荡演示

以下是需要考虑的一些附加布局相关的事项:

  • 保证栅极驱动回路和功率环路分开,尽量不要有任何交叠。
  • 由于碳化硅系统中的高di/dt和dV/dt,寄生电感和电容能够对性能和转换行为产生巨大影响。对降低寄生效应的一些建议:
    • 当选用插件封装MOSFET时尽量使用最短的引脚长度。
    • 尽量减小栅极驱动回路,减小驱动回路杂散电感。
    • 对于直流总线,使用较大的铺铜面积。
    • 保证高dV/dt节点远离敏感信号。
    • 让高频率磁性材料远离敏感信号。
    • 让功率环路和栅极驱动器信号分开。
  • 转换节点上的电容会增加损耗。
  • 总线环路中的电感增加关闭时的电压过冲。
  • 栅极回路中的电感和电容降低转换速度和驱动电压的控制。
  • 并联应用电感或电容的不同会导致不平衡。

并联MOSFET可提升应用的功率

并联MOSFET促使大功率设计成为现实(比如交错并联升压转换器)。当用一个驱动器驱动并联MOSFET时,它们的栅极不应直接连在一起,而是将外置的驱动电阻单独应用到每个栅极。杂散电感(范围介于1到15nH之间)也可产生不平衡的震荡电压,但是增加栅极电阻和增加铁氧体磁珠可以增加抑制效应以帮助降低震荡和开关损耗。并且在每个碳化硅MOSFET的驱动回路的Kelvin source添加一个1-Ω电阻器可以大幅降低任何可能流动的高峰值电流,以及作为到VGS的自动反馈(见图 3)。

图 3:通过增加的栅极和源极电阻器来驱动并联碳化硅MOSFET

当使用模块时,一些相同规则仍旧适用。当对模块进行并联时,设计人员可在分享的栅极驱动器和单独的栅极驱动器之间进行选择。分享栅极驱动器有助于消除不同驱动器之间的不匹配问题,但是很难对栅极驱动器进行对称布局,特别是对超过两个并联模块而言。

图 4显示的是布局并联MOSFET驱动器板的一些布局示例。

图 4:并联MOSFET设计的PCB布局示例

负驱动电压保证更安全的运行并改善抗干扰度

通常情况下,MOSFET在0 V时完全关闭。增加负栅极偏压会改善抗干扰度并避免在桥式电路应用中出现误开通,但是对于单端型功率转换器,比如反激式、升压或降压转换器,可以接受使用0-V关断电压。当使用图腾柱拓扑时,高dV/dt和di/dt通常会导致串扰并能在栅极生成振荡的电压尖峰,因此负电压关断(比如–4 V)能防止误开通,同时保证最大允许负压–8 V有足够的余量。如果PCB布局已得到优化,只要没有误开通,负栅极偏压可以接近–3 V或–2 V(依次降低该偏压可以降低体二极管的正向电压)。

正,负栅极驱动电压解决方案可通过多种方式完成。例如,专用15-V/–3-V集成电源组件可以帮助降低部件数量,而在一个稳定的18-V输出后加上电阻器和齐纳二极管生成–3 V可以提供更多的灵活性。另一个方案是使用带有内置DC/DC控制器的栅极驱动器IC,比如Si8281。最后,通过使用推挽电路,比如来自德州仪器的TIDA-01605,你可以定制你自己的完整解决方案(见图 5

图 5:利用TIDA-01605的推挽电路来生成MOSFET驱动器的 15 V/–4 V

当MOSFET关断时,在图腾柱半桥设计中增加主动米勒钳位可以大幅降低串扰(对于在400 VDC下使用C3M0060065J的对比,见 图 6)。为实现更好的钳位效果,驱动器须尽量接近MOSFET,这样杂散电感就会达到最小化。

图 6:无米勒钳位(左)和有米勒钳位(右)的MOSFET驱动器对比

其他推荐测试和微调

保护你的设计免受过载电流(或短路)的影响是一个必须要考虑的问题,相较于电流分流器,大部分设计人员还是倾向于采用“退饱和”方式。虽然电流分流器能提供更精确的断路电平,但它消耗了很多电力,同时需要大量的PCB空间。因此电流分流器更多用于需要准确的电流保护点的低功率应用。对于碳化硅来说,去饱和机制表现出色,因为它没有引入额外的损耗并能够用于大功率载荷/模块。图 7显示了用于碳化硅MOSFET的基于分流器和基于漏极电压SCP设计之间的差异。

图 7:用于碳化硅MOSFET的基于分流SCP和漏极电压SCP之间的对比

SCP的设计非常重要,但是微调切断参数却非常棘手。设计人员须充分保护碳化硅MOSFET,同时不允许任何误动作。“去饱和”电压水平须基于MOSFET的RDS(on,连同最坏情况下的条件,包括高温、峰值电流和RDS(on最大值进行选择。应基于转换过渡时间和抗干扰度来选择去饱和检测时间,同时须考虑最坏情况下的条件,比如低电流以及大电流波动。为确保碳化硅裸片无有害效应,Wolfspeed推荐以下保守建议:  打开后检测时间为250–500 ns,在检测后软停机持续时间为400–1,500 ns,短路持续时间不超过1–1.5 µs。

在大部分碳化硅模块中,当设备仍处于波动(小于1 ms)且未饱和时,须检测短路故障。不同于IGBT,碳化硅设备的故障可能必须在短路电流到达峰值之前才能检测到。可进行破坏测试来检验这个特性,比如图 8中所示的测试示例。这项测试包含ADuM4177栅极驱动器和CAB450M12XM3碳化硅模块(额定值为1,200 V/450 A)。故障应在550 ns内得到检测并在之后360 ns内停机。

图 8:驱动器和碳化硅MOSFET破坏短路测试

总结

综上所述,碳化硅技术使高效率和高功率密度系统成为现实,但须通过多个策略进行驱动。栅极驱动器须具备足够的驱动能力来降低损耗,且在足够高的开关频率下运行时,它必须具备高CMTI、最低的寄生电感以及优化的去饱和检测和软停机特性。当布局PCB时,减小驱动回路寄生电感以防止串扰,同时使用被动组件,如电容和铁氧体磁珠也可有效抑制干扰。同时对于并联应用时,单独的栅极电阻及对称的PCB Layout能保证均流。

Wolfspeed提供多个设计支持工具,如所有分立软件包的评估套件、栅极驱动器参考设计、通用的参考设计以及MOSFET和功率模块演示平台,还有在线/离线模拟工具和模型。

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