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

本文將闡述系統(tǒng)能效的重要性，并簡要說明 SiC 柵極驅(qū)動器的選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括 SiC 功耗、SiC 導(dǎo)通和關(guān)斷基本原理以及如何減少開關(guān)損耗。此外，我們將介紹首款集成負(fù)偏壓的 3.75 kV 柵極驅(qū)動器 NCP(V)51752。

能效提升，毫厘必爭

當(dāng)談到功率損耗管理時，對于數(shù)十千瓦到上兆瓦的高功率應(yīng)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(yīng)用的能效達(dá)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(fēng)扇就已經(jīng)足夠。但以相同能效運行的 350 kW 應(yīng)用會產(chǎn)生 17.5 kW 的功耗，這就需要投入大量工程資源和成本來優(yōu)化散熱策略，此外還會對碳足跡產(chǎn)生負(fù)面影響。

減少功率損耗

SiC 的總功率損耗本質(zhì)上是導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗的總和。當(dāng) SiC MOSFET 完全導(dǎo)通時，SiC 導(dǎo)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(dǎo)通時漏極至源極電流路徑的電阻。系統(tǒng)工程師可以通過選擇 RDSON較低的 SiC MOSFET、并聯(lián)配置多個 SiC MOSFET（或同時使用兩種方法），將導(dǎo)通損耗降至超低水平。

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

總柵極電荷QG(TOT)

總柵極電荷 QG(TOT)表示柵極驅(qū)動器為完全導(dǎo)通或關(guān)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(dāng)系統(tǒng)工程師選擇低 RDSON的 SiC MOSFET 來降低高功率應(yīng)用中的導(dǎo)通損耗時，柵極驅(qū)動拉電流（導(dǎo)通）和灌電流（關(guān)斷）的要求會相應(yīng)增加。

要降低系統(tǒng)設(shè)計的開關(guān)損耗相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，因為一方面，需要盡快導(dǎo)通和關(guān)斷以盡可能減少開關(guān)損耗；但另一方面，開關(guān)速度提高可能會引發(fā)不必要的電磁干擾 (EMI)，而且預(yù)期的關(guān)斷過程中還可能出現(xiàn)危險的寄生導(dǎo)通意外，尤其是在半橋拓?fù)渲小?/p>

導(dǎo)通和關(guān)斷

為了操作 MOSFET 并開始導(dǎo)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(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。柵極驅(qū)動器通過拉電流或灌電流來導(dǎo)通或關(guān)斷功率器件。為此，柵極驅(qū)動器需要對功率器件的柵極充電，直至達(dá)到導(dǎo)通電壓 VGS(ON)，或者驅(qū)動電路使柵極放電至達(dá)到關(guān)斷電壓 VGS(OFF)。為了實現(xiàn)兩個柵極電壓電平之間的轉(zhuǎn)換，柵極驅(qū)動器、柵極電阻和功率器件之間的環(huán)路中會產(chǎn)生一些功耗。

圖 1：柵極驅(qū)動器的 MOSFET 驅(qū)動導(dǎo)通/關(guān)斷操作和電流路徑

如今，低功率和中功率應(yīng)用的高頻轉(zhuǎn)換器主要使用功率 MOSFET。不過，柵極驅(qū)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(dāng)需要更高的驅(qū)動電流快速導(dǎo)通/關(guān)斷電源開關(guān)時，SiC MOSFET 是目前性能表現(xiàn)較佳的器件。

寄生導(dǎo)通

由于 di/dt 非常高，當(dāng)柵極驅(qū)動器達(dá)到最小柵源電壓時，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴。PCB 布局與封裝引起的寄生電容和電感進(jìn)一步加劇了這種情況，導(dǎo)致關(guān)斷時產(chǎn)生電感沖擊。這些電感沖擊可能會無意中使得電壓達(dá)到 VGS(TH)，導(dǎo)致在預(yù)期關(guān)斷期間意外導(dǎo)通，從而引發(fā)災(zāi)難性后果。

這里以半橋應(yīng)用為例。當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷，而高邊開關(guān)即將導(dǎo)通時，若電感沖擊導(dǎo)致電壓達(dá)到 VGS(TH)，低邊開關(guān)便可能會意外導(dǎo)通，從而造成高邊和低邊開關(guān)同時導(dǎo)通，產(chǎn)生擊穿電流。這可能會造成高壓軌接地直接短路，從而導(dǎo)致 MOSFET 損壞。解決該問題有一個非常有效的方法，就是在關(guān)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(dá)到 VGS(TH)。

開關(guān)損耗

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

圖 2：負(fù)柵極偏壓（來源：AND90204/D）

利用集成負(fù)偏壓來關(guān)斷柵極驅(qū)動

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

NCP(V)51752 是一個內(nèi)置負(fù)偏壓的新型隔離式 SiC 柵極驅(qū)動器系列。由于 NCP(V)51752 內(nèi)置了負(fù)偏壓，系統(tǒng)不必向柵極驅(qū)動器提供負(fù)偏壓軌，因而能夠節(jié)省系統(tǒng)成本。

NCP(V)51752 有以下四種微調(diào)選項可供選擇。其他選項可視需求提供。

NCP51752CDDR2G：工業(yè)級，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-5V

NCP51752DBDR2G：工業(yè)級，欠壓鎖定：17V，負(fù)偏壓：-3V

NCV51752CDDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-5V

NCV51752CBDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負(fù)偏壓：-3V

結(jié)論

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

減輕在預(yù)期關(guān)斷期間意外導(dǎo)通的風(fēng)險。

將 EOFF開關(guān)損耗降低 25%。

節(jié)省系統(tǒng)成本。