雖然 SiC 提供了一系列優勢，包括更快的開關和更高的效率，但它也帶來了一些設計挑戰，可以通過選擇正確的柵極驅動器來解決。

碳化硅 (SiC) MOSFET 憑借一系列優于硅基開關的優勢，在功率半導體行業取得了重大進展。這些包括更快的開關、更高的效率、更高的工作電壓和更高的溫度，從而使設計更小、更輕。這幫助他們在一系列汽車和工業應用中找到了家。但是像 SiC 等寬帶隙 (WBG) 器件也帶來了設計挑戰，包括電磁干擾 (EMI)、過熱和過壓條件，這些可以通過選擇正確的柵極驅動器來解決。

由于柵極驅動器用于驅動功率器件，因此它是功率難題的關鍵部分。確保使用 SiC 進行優化設計的一種方法包括首先仔細考慮您選擇的柵極驅動器。同時，它需要仔細審視您的設計的關鍵要求——效率、密度，當然還有成本——因為根據應用要求，總是需要權衡取舍。

盡管 SiC 具有固有的優勢，但定價仍然是采用的障礙。根據電源 IC 制造商的說法，如果您在零件比較的基礎上查看 SiC 與硅，那么除非設計人員查看解決方案的總成本，否則將更加昂貴且難以證明其合理性。

因此，讓我們首先討論 SiC 與硅 MOSFET 或 IGBT 的應用、優勢和權衡。SiC FET 具有更低的導通電阻（由于更高的擊穿電壓）、更高的飽和速度以實現更快的開關，以及 3 倍高的帶隙能量，從而導致更高的結溫以改善冷卻，以及 3 倍高的熱導率，這意味著進入更高的功率密度。

業界一致認為，低壓 Si MOSFET 和 GaN 在 <700-V 及以上范圍內發揮作用，而 SiC 在低功率范圍內有一點重疊。

SiC 主要取代超過 600 V 和 3.3 kW 以上的硅 IGBT 類型應用，在約 11 kW 時更是如此，這對于 SiC 來說更像是一個甜蜜點，這意味著高電壓操作、低開關損耗和更高的Microchip Technology 分立和電源管理數字柵極驅動器 (AgileSwitch) 產品線總監 Rob Weber 表示，開關頻率功率級。

他說，這允許使用更小的濾波器和無源元件，并減少冷卻需求。“我們談論的是相對于 IGBT 的系統級優勢，最終是尺寸、成本和重量的減小。

“從 aa 損耗的角度來看，您可以將損耗降低多達 70%，例如，在 30 kHz 的開關頻率下，這是碳化硅在擊穿場、電子飽和速度方面的一些不同特性的結果、帶隙能和熱導率，”韋伯說。

SiC 與 Si 和 IGBT（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，工程師關注的基準是效率，這會導致改進水平，但在 SiC 中越來越多地發生的另一件事是系統級優于 IGBT 的優勢。

“使用碳化銀，您可以在更高的開關頻率下工作，這使您可以在直接功率級周圍擁有更小的外部組件，例如濾波器，它們是大而重的磁性設備；由于較低的開關損耗，在較高溫度下運行或在較低溫度下運行；用風冷系統代替液冷系統，并縮小散熱器的尺寸，”他解釋說。

他說，這種組件尺寸和重量的減少意味著成本更低，這意味著碳化硅不僅能提高效率。

然而，在部件與部件之間的價格比較中，碳化硅仍然比傳統的硅基 IGBT 貴。“每個制造商的 SiC 模塊成本都會更高，但是當您查看整個系統時，SiC 系統的成本更低，”Weber 說。

在 Weber 分享的一個示例中，一位客戶在使用 SiC MOSFET 時能夠將系統成本降低 6%。

一旦設計師決定改用 SiC，他們還需要權衡利弊。功率半導體制造商同意必須處理噪聲、EMI 和過壓等“二次效應”。

“當你更快地切換這些設備時，你可能會產生更多的噪聲，這會轉化為 EMI，”Weber 說。“此外，雖然 SiC 在較高電壓下表現出色，但它在短路條件下的穩健性也遠不如 IGBT，而且您的電壓會發生變化，因此會出現過壓情況，這導致一些設計人員使用更高的額定電壓SiC 器件，因此它們可以更好地控制過壓和過熱。”

這就是柵極驅動器的選擇發揮重要作用的地方。SiC 對電源電壓、快速短路保護和高 dv/dt 抗擾度等特性有獨特的要求。

選擇碳化硅柵極驅動器

在為 SiC 開關選擇合適的柵極驅動器時，與基于硅的設備相比，在考慮電源解決方案時需要一種新的思維方式。要查看的關鍵領域包括拓撲、電壓、偏置以及監控和保護功能。

Weber 說，柵極驅動器的選擇至關重要，從歷史上看，使用順序方法來選擇柵極驅動器是可以的。“在使用 SiC 之前，您會首先選擇 IGBT，然后是柵極驅動器，然后是母線和電容器等，”Weber 說。“完全變了。您必須查看您正在構建的整個整體解決方案以及每一步的權衡，而不是采用 IGBT 的這種順序方法。這對很多客戶都是一種教育。”

此外，還有多種用于 SiC 的柵極驅動器，其特性和集成度（和價格）范圍廣泛，針對簡單到更復雜的設計。

德州儀器 (TI) 高壓電源系統工程主管 Lazlo Balogh 表示，拓撲結構、功率電平、保護和功能安全要求以及所用 SiC 器件的代數將決定應用所需的驅動器類型。

例如，可能需要大量額外電路的非隔離驅動器適用于更簡單的應用，在這種應用中，并非所有東西都必須集成到驅動器中，他說。

他補充說，還有一些隔離驅動器可以處理負偏置和隔離問題，但仍需要在系統中進行某種監控，直到提供進一步集成的設備，例如監控和保護電路以及汽車應用的功能安全。

“以正確方式部署 SiC 的清單是查看拓撲結構以及您必須驅動的設備類型，然后選擇柵極驅動器、優化偏置、確定需要哪種保護，然后優化布局，”巴洛格說。

從驅動器的角度來看，它具有正確的偏置，因此具有正確的電壓能力，無論您需要隔離式還是非隔離式柵極驅動器，需要多少保護，這與集成級別 [保護和安全] 或如何他補充說，需要很多額外的電路。

Balogh 說，稍微阻礙 SiC 的因素之一是認識到由于更高的開關速度，它需要放入消除源電感的封裝中，這通常是通過開爾文源連接來完成的。“源電感可能很糟糕，會導致大量振鈴和額外的功率損耗，因為它會減慢開關動作。”

開爾文源連接（來源：德州儀器公司）

“這是布局工程師成為您最好的朋友的地方，因為您確實必須查看布局以減輕振鈴并針對高速切換對其進行優化，”Balogh 說。他補充說，這包括最大限度地減少走線電感，將柵極回路與電源回路分開，并通過選擇正確的組件來適當地旁路[開關電流路徑和寬頻帶]。

Balogh 說，真正重要的是將驅動程序連接到開關。他說，由于雜散電感會增加開關損耗，因此您必須將驅動器的接地直接連接到電源開關的源極。

德州儀器 (TI) 提供了許多參考板/設計，使客戶能夠接近他們的性能要求。Balogh 說，總有一些權衡取舍，英飛凌可以幫助他們根據自己的需求優化設計，例如他們是否需要滿載時的峰值效率。他的建議是：如果您對驅動 WBG 有任何疑問，請閱讀應用說明并聯系應用工程師。

Texas Instruments 提供一系列 Si 和 IGBT 柵極驅動器，包括 UCC21710、UCC21732、UCC21750。這些是具有集成保護和傳感功能的隔離式柵極驅動器。這些器件提供快速檢測時間以防止過流事件，同時確保系統安全關閉。

保護功能（來源：德州儀器）

英飛凌科技區域應用工程師 Mladen Ivankovic 表示，在選擇 SiC MOSFET 時，要問的第一個關鍵問題是“該組件需要單極驅動還是雙極驅動”。

市場上有快速而強大的驅動器，既可以驅動 Si 也可以驅動 SiC，但人們在從 Si 轉向 SiC 時需要謹慎的是如何驅動它，因為硅是用 12 伏的典型電壓驅動的，Ivankovic說。“你使用 12-V 來開啟和使用 0V 來關閉，所以驅動硅元件或超級結 MOSFETS 的驅動器的正常電壓范圍是 0 到 12 伏，這對于任何硅元件供應商都是全面的，他加了。

另一方面，不同廠商的 SiC 器件會有不同的開啟/開啟電壓。例如，市場上有 SiC MOSFET，需要 +15 V 才能開啟，-4 V 才能關閉，或者 +20 V 開啟，-2 或 -5 V 關閉，Ivankovic說。“這需要一個能夠使用正負電壓的驅動器。”

但使用英飛凌 SiC，您只需要更寬的電壓范圍，他說。“因此，不是 0 到 12 V，您需要用 0 到 18 V 驅動它，并且您可以使用用于 Si 或 SiC 的相同驅動器。”

Ivankovic 說，因此您必須小心選擇是需要單極柵極驅動器還是需要正負柵極驅動器才能正確驅動組件。

英飛凌最近推出了適用于一系列工業應用的EiceDRIVER X3 增強型模擬 (1ED34xx) 和數字 (1ED38xx) 柵極驅動器 IC。這兩個系列均設計用于分立和模塊封裝中的 IGBT 以及 Si 和 SiC MOSFET。1ED34xx 通過外部電阻器提供可調節的去飽和濾波時間和軟關斷電流，1ED38xx 為多個參數提供 I2C 可配置性，包括可調控制和保護功能，例如短路保護、軟關斷、欠壓鎖定、米勒鉗位、過溫關斷和兩級關斷 (TLTO)。

英飛凌的 EiceDRIVER 1EDBx275F 是一系列單通道隔離式柵極驅動器 IC，旨在驅動 Si、SiC 和 GaN 功率開關。（來源：英飛凌科技）

可配置的數字柵極驅動器

許多領先的電源 IC 制造商已經開發了獨特的 SiC 柵極驅動器技術和解決方案，以解決一些二次效應，并最大限度地發揮轉向 WBG 技術的優勢。

例如，Microchip 在其 AgileSwitch 驅動程序中采用數字方法，其中包括一種稱為“增強開關”的獨特技術。該技術的一個關鍵要素是可配置的開啟/關閉，提供一系列步驟來控制電壓電平和這些電壓電平的時間。這允許設計人員通過軟件以數字方式配置開啟/關閉配置文件，無需更改硬件。該技術還包括額外級別的故障監控檢測和短路響應。

Microchip 聲稱有重大改進：開關損耗降低 50%，電壓過沖降低 80%。

“傳統的模擬方法當然適用于硅開關，其中許多次級效應在驅動慢速 IGBT 時不是問題，但碳化硅是一種完全不同的動物，”Weber 說。

Weber 表示，數字柵極驅動技術的關鍵要素之一是能夠非常快速地保護短路狀況，然后以安全的方式對其做出響應。

數字柵極驅動器的進步（來源：Microchip Technology）

Microchip 最近推出了其第 2 代數字柵極驅動器，為第一代器件增加了新的控制水平。可配置的柵極驅動器可用于任何供應商的 SiC MOSFET。

MOSFETS 的差異與開啟和關閉電壓有關，因此

Weber 說，即使公司與公司之間可能具有不同的正負電壓，也能夠對 +/- 電壓電平進行編程，這些都可以通過柵極驅動器進行配置。

AgileSwitch 可配置性（來源：Microchip Technology）

Weber 表示，客戶已經能夠將他們的開發周期和開發時間縮短多達六個月。“你可以使用軟件來做你過去用焊槍或電路板重新旋轉做的事情的想法是一種不同的心態。但您知道，對于開始采用它的客戶來說，他們認為它改變了游戲規則。”

他還指出，它為客戶提供了更大的靈活性，尤其是在供應鏈面臨挑戰的時候。“當供應可用時，公司將能夠在供應商之間轉移。”

Microchip 在一系列柵極驅動器板產品中實現了 ASD2 數字柵極驅動器 IC，這些產品被稱為柵極驅動器內核 - 帶有電源柵極驅動器的半橋設備，帶有微處理器和一定程度的可配置性和控制。該公司還支持與一系列適配器板或子卡的全行業兼容性，這些適配器板或子卡能夠使用 Microchip 和競爭對手提供的不同行業標準模塊類型。

數字柵極驅動器還允許設計人員針對當今的應用優化 MOSFET，而不是優化 5 年或 10 年，以解決開關隨時間或使用而退化的問題。

“對于我們的驅動器，客戶正在關注和感興趣的事情之一是能夠針對當今的 MOSFET 進行優化，其想法是隨著時間的推移，如果 MOSFET 確實性能下降，他們可以更改設置以優化 MOSFET。通過這種方式，他們可以從今天的系統中獲得更高的效率，而不是通過為未來最壞的情況進行設計而放棄這種效率，”Weber 說。

他補充說，這可以在模擬解決方案中完成，并且總是有多種方法可以實現，但是開發解決方案的成本、權衡和時間是多少。

使用標準驅動程序

供應商同意可以使用標準驅動器來控制 SiC 設備，但他們必須決定權衡的大小，而這種權衡通常需要額外的電路或更大的外部設備。例如，在使用標準驅動器時減少振鈴和過壓的一種方法是增加柵極電阻器的尺寸。

Balogh 指出需要考慮的其他問題，例如保護功能、欠壓鎖定、更高頻率的操作、更快的開關和芯片上的熱點，這些都會對功率損耗、EMI 和尺寸產生影響。
此外，額外的電路通常比集成解決方案和專用 SiC 占用更多空間，因此存在很多負面影響，因此高端設計選擇專用 SiC 內核驅動器，它考慮了更快的開關等因素、過壓條件以及圍繞噪聲和 EMI 的問題，他說。

“你總是可以使用標準的柵極驅動器，但你必須用額外的電路來補充它，這通常是一種權衡，”Balogh 同意道。

例如，對于小型高功率密度設計，可以使用 SOT23 封裝中的標準非隔離柵極驅動器，Balogh 說。他說，非隔離驅動程序不能直接適用，但可以做到，而且很多人都走這條路。

審核編輯：湯梓紅