作者：安森美
本指南旨在針對各類高功率主流應用，提供為 SiC MOSFET匹配柵極驅動器的專業(yè)指導，同時探索減少導通損耗與功率損耗的有效方法，以最大限度提升SiC器件在導通和關斷過程中的電壓與電流效率。
電源應用和拓撲
這些主流應用的功率范圍從 ~10kW 到 ~5MW 不等。 它們高度依賴電源開關和柵極驅動器來實現(xiàn)高效可靠的運行。
► 光伏
► 電動汽車 (EV) 充電
► HEV/EV 主驅逆變器
► 電機驅動
► HEV/EV DC -DC
► 車載充電器
這里是一些常見的應用和框圖元素。 它們都使用半橋將交流電輸送到電網。
⭐要點總結：選擇正確的柵極驅動器對于從所選開關獲得良好性能至關重要。匹配合適的柵極驅動器有助于確保：
► 開關高效
► 導通損耗和開關損耗低
► 通過保護功能確保安全
► 最小化 EMI
► 兼容汽車和工業(yè)標準
電源開關技術對比應用
下圖顯示了各種高功率主流應用優(yōu)先考慮使用的開關。紅色箭頭顯示， 許多功率超過 ~10kW 的應用正在從 IGBT 轉向更快的碳化硅 (SiC) 開關。 更快速的開關可帶來更高的功率密度。
常見應用：
► 功率因數(shù)校正 (PFC)
► 同步整流控制 (SRC)
► 車載充電器 (OBC)
► 開關模式電源 (SMPS)
⭐要點總結：碳化硅 (SiC) 和 GaN 技術是大多數(shù)主流高功率應用的優(yōu)選開關解決方案。
效率：能效提升，毫厘必爭
對于傳統(tǒng)的小功率產品 (~100 W)， 95% 的效率是可以接受的。對于使用數(shù)百千瓦或兆瓦的高功率應用而言 ， 管理功耗是一項更為復雜的設計工作， 因為效率的每千分之一都很重要。
下圖顯示， 總功率損耗是導通損耗與開關損耗之和。導通損耗取決于歐姆定律或 I2R， 其中 R = MOSFET 完全導通時的漏極-源極電阻(RDSON) ， I = 流過 MOSFET 的漏極電流。
開關損耗更為復雜， 包括:
► 柵極電荷 (QG) 、 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和 EOFF
⭐要點總結：柵極驅動器的電壓擺幅和偏置將直接影響系統(tǒng)效率 。 在高功率應用中 ， 效率以千分之一來衡量 ， 因此控制導通損耗和開關損耗非常重要。
開關類型：柵極驅動器的選擇
很多高功率主流應用都需要 MCU 來控制開關的導通和關斷。 由于工藝節(jié)點較小， 當代 MCU 的 I/O 總線限制為 1.8V 或 3.3V。 它們需要柵極驅動器來提供足夠的電壓， 從而實現(xiàn)開關的導通和關斷。
每種開關類型對柵極驅動電壓有不同的要求：
► 硅開關通常需要 0 到 10 V 的 10 V 擺幅。
► IGBT 開關通常需要 0V 到 15 V 的 15 V 擺幅
► SiC 開關通常需要 -3V 到 18 V 的 21 V 擺幅。
這是一階近似。 請務必檢查開關數(shù)據(jù)表 ， 了解開關導通和關斷的確切電壓要求 。
⭐要點總結：MCU 需要柵極驅動器來提供足夠的電壓， 從而實現(xiàn)開關的導通和關斷。 不同類型的開關有不同的電壓要求。
驅動 EliteSiC
Elite SiC 柵極驅動擺幅效率：
► 15 V 擺幅 (0V/15 V)， 這是硅開關的典型值， 可提供令人滿意的效率。
► 18 V 擺幅（ 0V/18 V） ， 這是 IGBT 開關的典型值， 效率更高。 與 15V 擺幅相比， 導通損耗降低 25% ， EON損耗降低 25% ， EOFF 損耗降低 3% 。
► 21 V 擺幅 (~ 3V/18 V),這是 SiC 開關的典型值， 效率最高。 與 18V 擺幅相比， EON 損耗降低 3% ， EOFF 損耗降低 25%。
⭐要點總結：EliteSiC 開關可與使用不同電壓擺幅的柵極驅動器配合， 實現(xiàn)高效運行。
負偏壓和 E OFF 開關損耗
本部分詳細介紹了使用安森美 (onsemi)EliteSiC Gen 2 1200 V M3S 系列 22mΩ SiC MOSFET 時， 關斷期間的效率改進情況。
下圖展示了關斷期間的負電壓偏置如何提高效率。 負柵極偏置電壓位于 x 軸， 開關損耗（ 單位： 微焦耳） 位于 y 軸。 通過關斷至 -3V 而不是 0V， 可以節(jié)省大約100μJ的 EOFF損耗。
負電壓偏置可防止開關在關斷時意外導通 。 關斷期間較高的柵極驅動電流可能與MOSFET 電容、 封裝和 PCB 走線電感相互作用， 導致關斷期間出現(xiàn)過多的振鈴現(xiàn)象。 這可能會意外觸發(fā)柵極 -源極電壓 (VGS) 閾值， 從而導致在關斷期間 SiC MOSFET 短暫導通。 如果發(fā)生振鈴， 則關斷至 -3V 可提供額外的 3V 裕量， 以避免觸發(fā) VGS閾值。
⭐要點總結：負電壓偏置通過防止開關在關斷期間導通來提高效率。 |
