作者：安森美
本指南旨在針對(duì)各類高功率主流應(yīng)用，提供為 SiC MOSFET匹配柵極驅(qū)動(dòng)器的專業(yè)指導(dǎo)，同時(shí)探索減少導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)斷過程中的電壓與電流效率。
電源應(yīng)用和拓?fù)?/font>
這些主流應(yīng)用的功率范圍從 ~10kW 到 ~5MW 不等。 它們高度依賴電源開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行。
► 光伏
► 電動(dòng)汽車 (EV) 充電
► HEV/EV 主驅(qū)逆變器
► 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
► HEV/EV DC -DC
► 車載充電器
這里是一些常見的應(yīng)用和框圖元素。 它們都使用半橋?qū)⒔涣麟娸斔偷诫娋W(wǎng)。
⭐要點(diǎn)總結(jié)：選擇正確的柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于從所選開關(guān)獲得良好性能至關(guān)重要。匹配合適的柵極驅(qū)動(dòng)器有助于確保：
► 開關(guān)高效
► 導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗低
► 通過保護(hù)功能確保安全
► 最小化 EMI
► 兼容汽車和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
電源開關(guān)技術(shù)對(duì)比應(yīng)用
下圖顯示了各種高功率主流應(yīng)用優(yōu)先考慮使用的開關(guān)。紅色箭頭顯示， 許多功率超過 ~10kW 的應(yīng)用正在從 IGBT 轉(zhuǎn)向更快的碳化硅 (SiC) 開關(guān)。 更快速的開關(guān)可帶來更高的功率密度。
常見應(yīng)用：
► 功率因數(shù)校正 (PFC)
► 同步整流控制 (SRC)
► 車載充電器 (OBC)
► 開關(guān)模式電源 (SMPS)
⭐要點(diǎn)總結(jié)：碳化硅 (SiC) 和 GaN 技術(shù)是大多數(shù)主流高功率應(yīng)用的優(yōu)選開關(guān)解決方案。
效率：能效提升，毫厘必爭
對(duì)于傳統(tǒng)的小功率產(chǎn)品 (~100 W)， 95% 的效率是可以接受的。對(duì)于使用數(shù)百千瓦或兆瓦的高功率應(yīng)用而言 ， 管理功耗是一項(xiàng)更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作， 因?yàn)樾实拿壳Х种欢己苤匾?/font>
下圖顯示， 總功率損耗是導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之和。導(dǎo)通損耗取決于歐姆定律或 I2R， 其中 R = MOSFET 完全導(dǎo)通時(shí)的漏極-源極電阻(RDSON) ， I = 流過 MOSFET 的漏極電流。
開關(guān)損耗更為復(fù)雜， 包括:
► 柵極電荷 (QG) 、 總柵極電荷 (QG(TOT))
► 反向恢復(fù)電荷 (QRR)
► 輸入電容 (CISS)
► 柵極電阻 (RG)
► EON和 EOFF
⭐要點(diǎn)總結(jié)：柵極驅(qū)動(dòng)器的電壓擺幅和偏置將直接影響系統(tǒng)效率 。 在高功率應(yīng)用中 ， 效率以千分之一來衡量 ， 因此控制導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗非常重要。
開關(guān)類型：柵極驅(qū)動(dòng)器的選擇
很多高功率主流應(yīng)用都需要 MCU 來控制開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。 由于工藝節(jié)點(diǎn)較小， 當(dāng)代 MCU 的 I/O 總線限制為 1.8V 或 3.3V。 它們需要柵極驅(qū)動(dòng)器來提供足夠的電壓， 從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。
每種開關(guān)類型對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓有不同的要求：
► 硅開關(guān)通常需要 0 到 10 V 的 10 V 擺幅。
► IGBT 開關(guān)通常需要 0V 到 15 V 的 15 V 擺幅
► SiC 開關(guān)通常需要 -3V 到 18 V 的 21 V 擺幅。
這是一階近似。 請(qǐng)務(wù)必檢查開關(guān)數(shù)據(jù)表 ， 了解開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的確切電壓要求 。
⭐要點(diǎn)總結(jié)：MCU 需要柵極驅(qū)動(dòng)器來提供足夠的電壓， 從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。 不同類型的開關(guān)有不同的電壓要求。
驅(qū)動(dòng) EliteSiC
Elite SiC 柵極驅(qū)動(dòng)擺幅效率：
► 15 V 擺幅 (0V/15 V)， 這是硅開關(guān)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(guān)的典型值， 效率更高。 與 15V 擺幅相比， 導(dǎo)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(guān)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(diǎn)總結(jié)：EliteSiC 開關(guān)可與使用不同電壓擺幅的柵極驅(qū)動(dòng)器配合， 實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
負(fù)偏壓和 E OFF 開關(guān)損耗
本部分詳細(xì)介紹了使用安森美 (onsemi)EliteSiC Gen 2 1200 V M3S 系列 22mΩ SiC MOSFET 時(shí)， 關(guān)斷期間的效率改進(jìn)情況。
下圖展示了關(guān)斷期間的負(fù)電壓偏置如何提高效率。 負(fù)柵極偏置電壓位于 x 軸， 開關(guān)損耗（ 單位： 微焦耳） 位于 y 軸。 通過關(guān)斷至 -3V 而不是 0V， 可以節(jié)省大約100μJ的 EOFF損耗。
負(fù)電壓偏置可防止開關(guān)在關(guān)斷時(shí)意外導(dǎo)通 。 關(guān)斷期間較高的柵極驅(qū)動(dòng)電流可能與MOSFET 電容、 封裝和 PCB 走線電感相互作用， 導(dǎo)致關(guān)斷期間出現(xiàn)過多的振鈴現(xiàn)象。 這可能會(huì)意外觸發(fā)柵極 -源極電壓 (VGS) 閾值， 從而導(dǎo)致在關(guān)斷期間 SiC MOSFET 短暫導(dǎo)通。 如果發(fā)生振鈴， 則關(guān)斷至 -3V 可提供額外的 3V 裕量， 以避免觸發(fā) VGS閾值。
⭐要點(diǎn)總結(jié)：負(fù)電壓偏置通過防止開關(guān)在關(guān)斷期間導(dǎo)通來提高效率。 |
