碳化硅的材料特性:与硅相比碳化硅具有更高的带隙和更高的击穿电压,具有稍低的电动性,但饱和速度几乎是硅的两倍,导热率几乎是硅的三倍。
宽禁带和更高的击穿场强适合于制造高压低导通电阻的开关器件 MOSFET,同样的导通电阻 RDS(ON)基于碳化硅的 MOSFET 拥有小得多芯片面积和寄生电容以及更快的开关速度,从而降低开关损耗;降低开关损耗可以提高系统效率,使得系统能够在更高的开关频率下工作,而高的开关频率可以减小系统中的无源元件的尺寸,比如电容、电感、变压器等;另一方面碳化硅材料拥有更高的导热率可以降低热阻减少散热方面的要求。
总结一下就是碳化硅器件拥有三方面的优势:
(1)高压低导通电阻;
(2)开关速度快、低开关损耗;
(3)低热阻;
主要商用碳化硅器件基本是1700V、1200V、900V电压等级,也有一些650V的,但是相对硅器件导通损耗的优势会比较小,以上是SiC和Si MOSFET的比较。
对于650V上的硅器件,IGBT被广泛的应用于各种场合,那么SiC MOSFET跟Si IGBT 相比有什么优势呢?
首先从导通上讲,MOSFET具有基本线性的 I-V曲线,而IGBT有0.5V 到1V的切入电压,这会导致小电流的时候的高导通损耗;
其次IGBT没有自带的体二极管,所以应用时候大部分需要并联硅二极管;
从开关速度上讲,IGBT作为双极型器件相对于单极性器件MOSFET开关速度慢损耗大,特别是在高温的时候开关损耗增加很快;同时与IGBT并联的硅二极管会有比较大的反向恢复,特别是在硬开关情况下,通常IGBT 的开关频率会被限制在几十 kHz 以内。
碳化硅MOSFET对驱动的要求跟硅器件对驱动要求类似,通常会包括以下几个方面。
首先是隔离要求,其次是高的CMTI ,以及快速过流和短路保护,短的时间延时、高驱动电压。
首先是需要高输出驱动电压,SiC MOSFET根据不同厂商器件,需要 15V-20V 驱动电压以达到低的导通电阻;通常早期的产品需要20V的驱动,新的产品为了尽量跟Si MOSFET兼容驱动电压也可以是15V。但是另一方面通常关断的时候需要提供负压驱动,这跟SiC MOSFET的低阈值电压和防止米勒效应引起的误导通相关,负压偏置通常在-3V 和-5V之间。
高的驱动电压可以降低导通电阻从而减小导通损,但是 SiC MOSFET的门极电压通常不能超过25V或者18V,所以需要驱动电压有比较精确地控制,一方面达到低损耗,另一方面实现安全运行。
强的驱动能力可以提高开关速度减小开关损耗;但是另外一方面快速的电压电流变化,会因为电路各种寄生参数引起噪音而振荡,特别是高 dv/dt会通过驱动输入输出侧之间的耦合电容耦合到输入侧,从而导致逻辑错误或者驱动损坏,所以碳化硅驱动必须具有很高的CMTI能力,SiC MOSFET 的开关速度能够达到 100V/ns。
碳化硅器件驱动的另外一个关键要求是更快的短路保护;碳化硅器件正常的时候工作在线性区,短路的时候进入饱和区,短路时电流一直会随栅源极电压上升而上升,从而导致短路时瞬时功率密度很大。这也是为什么 SiC MOSFET需要在两微秒甚至更短的时间内进行保护。
对于碳化硅器件驱动的另一个要求是较短的传播延迟,从而可以设置更短的死区时间;因为对于半桥电路在死区的时候,电流会通过MOS管的体二极管,然而体二极管具有相对较大的电压降,这在开关周期中会增加一些损耗,特别对于很高频率的应用影响会更明显,因为周期短死区时间占的比例大。
对于实际应用中驱动和器件的PCB走线方面有哪些需要注意的问题呢?
首先在驱动环路里面会包括一部分功率环路的源极寄生电感,开关暂态的时候,di/dt 在此电感 LCS 上引起的电压,会减慢开关速度也会增加门极振荡噪音;可能的缓解办法包括:使用单独的 kelvin 源极回路,如果器件封装提供单独的引脚的话,比如说 TO247 四脚封装;但是如果没有这个选择的话,需要将驱动的地以最短路径直接接到器件的源极引脚而不要通过 PCB 上的功率线。
第二个寄生参数是米勒电容 CGD,这包括碳化硅器件的本身的电容和 PCB 的寄生电容,这个电容在高 dv/dt 时候的耦合电流,有可能会导致半桥互通;器件本身电容无法改变,对于 PCB 要尽量减少门极和漏极之间的走线的重叠。
第三个寄生参数就是输出电容了,就是图中的 CGD、CDS 之和,这包括器件本身的电容和PCB 的寄生电容,这部分电容会增加开关损耗,特别对于高开关频率影响更加明显,所以也需要尽量避免PCB 上漏极和源极之间的走线重叠。
第四个寄生参数是功率环路的寄生电感,在器件关断的时候,这会导致过高的栅极超调电压,给器件带来额外的电压应力,所以需要尽可能优化 PCB 布局,以及并联无感电容来减小此电感;另外在短路关断的时候电流 di/dt 很大,为避免电感产生过高的栅极电压可以采用软关断或者两级关断的方法。
这是短路时两级关断的例子,短路时首先 VDS 电压从 15V 降到 12V,VDS 产生 60V 的超调电压,然后 VDS 再从 12V 降到 -4V,VDS 产生 102V 的超调电压。