利用集成負偏壓來關斷柵極驅動在設計電動汽車、不間斷電源、工業驅動器和泵等高功率應用時，系統工程師更傾向于選擇碳化硅 (SiC) MOSFET，因為與 IGBT 相比，SiC 技術具有更高的效率和功率密度。為了保持整體系統高能效并減少功率損耗，為 SiC MOSFET 搭配合適的 SiC 柵極驅動器可謂至關重要。

本文將闡述系統能效的重要性，并簡要說明 SiC 柵極驅動器的選擇標準，包括 SiC 功耗、SiC 導通和關斷基本原理以及如何減少開關損耗。此外，我們將介紹首款集成負偏壓的 3.75 kV 柵極驅動器 NCP(V)51752。

能效提升，毫厘必爭

當談到功率損耗管理時，對于數十千瓦到上兆瓦的高功率應用來說，哪怕是一絲一毫的效率提升都非常重要。例如，若 100 W 應用的能效達到 95%，則需通過散熱策略處理的功耗僅有 5 W。對此，可能添加一個散熱片或一個風扇就已經足夠。但以相同能效運行的 350 kW 應用會產生 17.5 kW 的功耗，這就需要投入大量工程資源和成本來優化散熱策略，此外還會對碳足跡產生負面影響。

減少功率損耗

SiC 的總功率損耗本質上是導通損耗與開關損耗的總和。當 SiC MOSFET 完全導通時，SiC 導通損耗主要由 I2R 決定，其中 I 是漏極電流 (ID)，R 是 RDSON，即 SiC MOSFET 完全導通時漏極至源極電流路徑的電阻。系統工程師可以通過選擇 RDSON較低的 SiC MOSFET、并聯配置多個 SiC MOSFET（或同時使用兩種方法），將導通損耗降至超低水平。

SiC 開關損耗比較復雜，會受到總柵極電荷 (QG(TOT))、反向恢復電荷 (QRR)、輸入電容 (CISS)、柵極電阻 (RG)、EON損耗和 EOFF損耗等參數的影響。

總柵極電荷QG(TOT)

總柵極電荷 QG(TOT)表示柵極驅動器為完全導通或關斷 MOSFET 而注入柵極電極的電荷量，單位為庫侖。通常，QG(TOT)與RDSON成反比。因此，當系統工程師選擇低 RDSON的 SiC MOSFET 來降低高功率應用中的導通損耗時，柵極驅動拉電流（導通）和灌電流（關斷）的要求會相應增加。

要降低系統設計的開關損耗相當具有挑戰性，因為一方面，需要盡快導通和關斷以盡可能減少開關損耗；但另一方面，開關速度提高可能會引發不必要的電磁干擾 (EMI)，而且預期的關斷過程中還可能出現危險的寄生導通意外，尤其是在半橋拓撲中。

導通和關斷

為了操作 MOSFET 并開始導通，須將一個電壓施加于柵極端子（相對于源極端子）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動電流。柵極驅動器通過拉電流或灌電流來導通或關斷功率器件。為此，柵極驅動器需要對功率器件的柵極充電，直至達到導通電壓 VGS(ON)，或者驅動電路使柵極放電至達到關斷電壓 VGS(OFF)。為了實現兩個柵極電壓電平之間的轉換，柵極驅動器、柵極電阻和功率器件之間的環路中會產生一些功耗。

圖 1：柵極驅動器的 MOSFET 驅動導通/關斷操作和電流路徑

如今，低功率和中功率應用的高頻轉換器主要使用功率 MOSFET。不過，柵極驅動器不僅適用于 MOSFET，還非常適合門道精深的新型寬禁帶器件，如 SiC MOSFET 和 GaN（氮化鎵）MOSFET。當需要更高的驅動電流快速導通/關斷電源開關時，SiC MOSFET 是目前性能表現較佳的器件。

寄生導通

由于 di/dt 非常高，當柵極驅動器達到最小柵源電壓時，可能會出現嚴重的振鈴。PCB 布局與封裝引起的寄生電容和電感進一步加劇了這種情況，導致關斷時產生電感沖擊。這些電感沖擊可能會無意中使得電壓達到 VGS(TH)，導致在預期關斷期間意外導通，從而引發災難性后果。

這里以半橋應用為例。當低邊開關關斷，而高邊開關即將導通時，若電感沖擊導致電壓達到 VGS(TH)，低邊開關便可能會意外導通，從而造成高邊和低邊開關同時導通，產生擊穿電流。這可能會造成高壓軌接地直接短路，從而導致 MOSFET 損壞。解決該問題有一個非常有效的方法，就是在關斷時將電壓擺幅降至 0V 以下（至 -3V 甚至 -5V），從而給出一些余量或裕度，以防意外電感沖擊讓電壓達到 VGS(TH)。

開關損耗

圖 2 中的圖表（來源：AND90204/D）給出了負偏壓關斷的第二個優點，即減少了 EOFF開關損耗。圖中，x 軸表示從 0V 到 -5V 的負偏壓關斷電壓，y 軸表示開關損耗 (μJ)。事實上，在驅動安森美 (onsemi)專為高開關頻率應用而設計的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時，通過將關斷電壓從 0V 降至 -3V，開關損耗最多可減少 100 uJ。EOFF從 0V 時的 350 μJ 降至 -3V 負偏壓關斷時的 250 μJ，由此令 EOFF損耗減少 25%。請記住，每一毫厘進步都意義非凡！

圖 2：負柵極偏壓（來源：AND90204/D）

利用集成負偏壓來關斷柵極驅動

安森美提供多種高電壓、高功率隔離式 SiC 柵極驅動器，能夠在關斷期間支持“外部負偏壓”，讓系統向柵極驅動器提供 -3V 或 -5V 電壓以生成負擺幅。

NCP(V)51752 是一個內置負偏壓的新型隔離式 SiC 柵極驅動器系列。由于 NCP(V)51752 內置了負偏壓，系統不必向柵極驅動器提供負偏壓軌，因而能夠節省系統成本。

NCP(V)51752 有以下四種微調選項可供選擇。其他選項可視需求提供。

NCP51752CDDR2G：工業級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-5V

NCP51752DBDR2G：工業級，欠壓鎖定：17V，負偏壓：-3V

NCV51752CDDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-5V

NCV51752CBDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-3V

結論

NCP(V)51752 是 3.75kV、4.5A/9A 的單通道 SiC 柵極驅動器，支持電氣隔離（輸入至輸出），集成負偏壓：

減輕在預期關斷期間意外導通的風險。

將 EOFF開關損耗降低 25%。

節省系統成本。