SiC MOSFET高效又安全，選好柵極驅(qū)動(dòng)器很重要

隔離驅(qū)動(dòng)在新能源應(yīng)用中扮演了非常重要的角色，將直接或間接影響新能源產(chǎn)品的安全性、可靠性、壽命、效率以及成本等，本期從5個(gè)方面解讀隔離驅(qū)動(dòng)的重要參數(shù)；

1.安規(guī)方面

2.時(shí)間相關(guān)的介電擊穿（TDDB）

3.共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

4.傳輸延時(shí)（Tpd）

5.驅(qū)動(dòng)能力(Isink&Isource)

1.安規(guī)方面

隔離耐壓（Viso）

隔離耐壓是指在規(guī)定的測(cè)試條件下（如電壓幅值、施加時(shí)間等），能夠承受的最大電壓而不發(fā)生擊穿、閃絡(luò)或其他形式的電氣故障的能力。基于安全考慮，隔離驅(qū)動(dòng)須經(jīng)過(guò)全面的測(cè)試和認(rèn)證以確保用戶安全。其中，UL1577為隔離器件的隔離耐壓Viso（通常為 2.5kVRMS 或 5kVRMS)提供參考，在通過(guò)UL1577安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，隔離耐壓越高的產(chǎn)品，意味著其產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性也越高；

爬電距離是兩個(gè)導(dǎo)電器件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離，一般爬電距離不小于電氣間隙。根據(jù)污染等級(jí)、材料組別（CTI）和工作電壓（RMS）來(lái)確定。電氣間隙是導(dǎo)電器件之間在空氣中的最短距離， 用于防止瞬態(tài)過(guò)壓期間產(chǎn)生空氣電離或電弧。電氣間隙的重要影響因素是海拔和污染等級(jí)。爬電距離與長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作電壓相關(guān)， 電氣間隙與較短的瞬態(tài)電壓相關(guān)，同一條件下爬電距離和電氣間隙越大系統(tǒng)工作越安全可靠。 IEC 60664-1涵蓋了爬電距離和電氣間隙的相關(guān)測(cè)試 。爬電距離和電氣間隙的重要影響因素是隔離等級(jí)， 例如基本隔離、增強(qiáng)型隔離和功能隔離。 同一條件下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型隔離所需爬電距離是基本隔離的2倍。

2.時(shí)間相關(guān)的介電擊穿（TDDB）

介質(zhì)層擊穿是影響器件可靠性的重要模式，通?？梢苑譃樗矔r(shí)擊穿和經(jīng)時(shí)擊穿兩大類。對(duì)于隔離器件瞬時(shí)擊穿與Viso設(shè)計(jì)能力相關(guān)，經(jīng)時(shí)擊穿與TDDB設(shè)計(jì)能力相關(guān)。

1/E模型、E模型通過(guò)增加壓應(yīng)力電壓來(lái)模擬隔離器件的壽命。

3.共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

CMTI（Common mode transient immunity）是隔離驅(qū)動(dòng)重要的指標(biāo)之一。CMTI共模瞬變抗擾度，指是指瞬態(tài)穿過(guò)隔離層以破壞驅(qū)動(dòng)器輸出狀態(tài)所需最低上升或下降的dv/dt（單位V/ns或KV/us）。

CMTI分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)是指把輸入信號(hào)不變（高電平或低電平），然后施加共模瞬變，測(cè)試輸出狀態(tài)。UL and VDE 0884-11 并沒有要求強(qiáng)制通過(guò)動(dòng)態(tài)CMTI的測(cè)試，和靜態(tài)CMTI的要求一樣。

新能源應(yīng)用中對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)一般要求CMTI在150V/ns的共模瞬變下，輸出狀態(tài)穩(wěn)定。隨著光伏逆變器、充電模塊等功率大幅提升，不少設(shè)備廠商對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)的CMTI提出更高的要求：200V/ns，比如TI的UCC23525，手冊(cè)給出最小CMTI 200V/ns，實(shí)際會(huì)更高；

4.傳輸延時(shí)（Tpd）

隔離驅(qū)動(dòng)的傳輸延時(shí)Tpd，是指輸入信號(hào)的變化到輸出驅(qū)動(dòng)Gate電壓發(fā)生變化的延遲時(shí)間。新能源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，一般是數(shù)字控制模式，對(duì)于不同的數(shù)控模式，對(duì)Tpd時(shí)間有不同的需求，一般要求Tpd時(shí)間越短越好，對(duì)于系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間、效率、軟件代碼復(fù)雜度都會(huì)有很好的優(yōu)化。TI的UCC5350的Tpd典型值為：60ns

5.驅(qū)動(dòng)能力(Isink&Isource)

驅(qū)動(dòng)能力是隔離驅(qū)動(dòng)重要的指標(biāo)之一，驅(qū)動(dòng)能力直接關(guān)系到功率MOS的開關(guān)速度，對(duì)于硬開關(guān)的設(shè)計(jì)中直接影響開關(guān)損耗。新能源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，大功率應(yīng)用中并管設(shè)計(jì)越來(lái)越多，對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求越來(lái)越大。TI的UCC21750的驅(qū)動(dòng)能力為±10A ，并且集成了故障狀態(tài)下（橋臂短路等）慢關(guān)斷功能，防止因?yàn)檫^(guò)高的di/dt,損壞功率器件。（國(guó)內(nèi)廠家像數(shù)明、川土納芯微、思瑞浦等等基本可以實(shí)現(xiàn)P2P替換）

SiC?MOSFET特?性

系統(tǒng)尺寸和電氣效率是許多現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的關(guān) 鍵要求，而碳化硅已成為一種流行的半導(dǎo)體技術(shù)。作為一種寬禁帶材料，SiC 與硅相比具有眾多優(yōu)勢(shì)，包括高熱 ?導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高最大電流密度和卓越的導(dǎo)電性。 此外，SiC 的低開關(guān)損耗和高工作頻率也提高了效率，特 ?別是在需要大電流、高溫和高熱導(dǎo)率的應(yīng)用中。

SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)考慮因素

柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)可確保電源應(yīng)用中使用的 MOSFET 安全運(yùn)行。選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮的因素 包括：

●米勒電容(CDG)與寄生導(dǎo)通(PTO)

SiC ? MOSFET容易產(chǎn)生寄生導(dǎo)通(PTO), ?這是由于 米勒電容CDG 在開關(guān)過(guò)程中將漏極電壓耦合到柵極。當(dāng) 漏極電壓上升時(shí)，該耦合電壓可能會(huì)短暫超過(guò)柵極閾值電壓，使MOSFET 導(dǎo)通。在同步降壓轉(zhuǎn)換器等電路中， MOSFET 通常成對(duì)使用，其中有一個(gè)高壓側(cè)和一個(gè)低壓 側(cè)MOSFET, ? 而PTO會(huì)導(dǎo)致這些電路中的“直通”(shoot- ? ?through) 導(dǎo)通。

當(dāng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET ?同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)發(fā)生 直通導(dǎo)通，導(dǎo)致高壓通過(guò)兩個(gè)MOSFET 短路到GND 。這 種直通的嚴(yán)重程度取決于MOSFET 的工作條件和柵極電 路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵因素包括總線電壓、開關(guān)速度，(dv/dt) 和 漏極-源極電阻(RDS(ON)) 。 在最壞的情況下，PTO 會(huì)引 發(fā)災(zāi)難性的后果，包括短路和MOSFET ?損壞。

與PCB 布局和封裝有關(guān)的寄生電容和電感也會(huì)加劇 PTO。 如下文所述，可以通過(guò)對(duì)器件的關(guān)斷電壓進(jìn)行負(fù) 偏置來(lái)避免這種情況。

●柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍

MOSFET ?的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過(guò)向其柵極施加電壓實(shí) 現(xiàn)的，電壓由專用的柵極驅(qū)動(dòng)器提供。柵 極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)提供拉電流，使MOSFET 的柵極充電至最 終導(dǎo)通電壓VGS(ON), ? 并在器件放電至最終關(guān)斷電壓 VGS(OFF) 時(shí)提供灌電流。柵極驅(qū)動(dòng)的正電壓應(yīng)足夠高，以確保MOSFET ?能夠 完全導(dǎo)通，同時(shí)又不超過(guò)最大柵極電壓。在使用碳化硅 MOSFET ?時(shí)，必須考慮到它們通常需要比硅MOSFET更高的柵極電壓。同樣，雖然0 V的電壓足以確保硅 MOSFET ?關(guān)斷，但通常建議SiC器件采用負(fù)偏置電壓，以 消除寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。在關(guān)斷過(guò)程中，允許電壓向下擺 動(dòng)到-3 V 甚至-5V, 這樣就有了一定的余量或裕度，可以 避免在某些情況下觸發(fā)VGS(TH), 從而意外導(dǎo)通器件。