電力電子效率升級有譜　SiC MOSFET閘極驅動器設計考量多

矽基(Si)MOSFET和IGBT過去一直在電力電子應用產業占據主導地位，這些應用包括不斷電供應系統、工業電機驅動、泵及電動車(EV)等。然而，市場開始要求尺寸更小的產品，同時設計人員也面臨提高電源能效的壓力，使得碳化矽(SiC)MOSFET成為這些應用中受歡迎的替代方案。

與Si MOSFET一樣，SiC MOSFET的工作特性和性能也取決於閘極驅動電路的設計，該電路負責開啟和關閉元件。不過，基於SiC的特定特性，將需要仔細選擇MOSFET元件和閘極驅動電路，以確保能夠安全地滿足應用需求，並盡可能提高效率。本文將討論為SiC MOSFET選擇閘極驅動器時，應該考慮的關鍵面向。

電力電子設計追求更高效率

電力電子系統可處理高達數十百萬瓦(MW)的大量電能，在當今市場上，效率及法規要求成為電力電子應用設計越來越重要的驅動因素。由於更高的效率可降低功耗，進而減少對印刷電路板和外殼冷卻解決方案的需求，電流密度和效率是實現市場所需的更小外形尺寸的關鍵。

隨著排放法規日益嚴格，效率問題獲得越來越多的關注，而MOSFET是電力驅動系統(PDS)的關鍵元件，這些系統驅動電動機的運轉。據歐盟委員會估計，僅在歐洲就有約80億台使用中的電動機，其消耗的電能幾乎占該地區電能的一半^[1]。因此，毋庸置疑，這些設備的電氣效率將遭遇越來越嚴格的監管要求。

只要使用得當，SiC MOSFET能夠在功率密度和效率方面提供顯著優勢。更緊湊的SiC元件具有更高的開關頻率，可以縮減整體系統尺寸，在電動車等對空間和重量敏感的應用中具有顯著優勢。為了實現SiC MOSFET的潛在優勢，必須藉由選用合適的閘極驅動器，使元件符合應用的具體要求。

SiC MOSFET成耀眼新星

系統尺寸和電氣效率是許多現代電力電子系統的關鍵要求，而SiC已成為一種流行的半導體技術。作為寬能隙材料，SiC與Si相比具有眾多優勢，包括高熱導率、低熱膨脹係數、高最大電流密度和卓越的導電性。此外，SiC的低開關損耗和高運作頻率也提高了效率，特別是在需要大電流、高溫和高熱導率的應用中。SiC元件的電壓臨界值高達數十千伏(kV)，Si元件的電壓臨界值僅為900伏(V)。此外，SiC的臨界擊穿場強也更高，因此厚度更薄的SiC元件可以支援更高的額定電壓。

如果實作得當，SiC元件能夠為設計人員帶來效率和開關頻率方面的重要優勢，同時，更緊湊的SiC元件也能縮減整個系統的尺寸。電動車、軌道交通或能源基礎設施等對空間和重量敏感的應用可受惠於上述優勢。隨著SiC技術不斷進步，可承受的電壓也越來越高，元件的額定電壓可達1,700V及以上，SiC相較傳統Si材料的優勢將更加明顯。

SiC MOSFET閘極驅動器設計考量

閘極驅動器的設計可確保電源應用中所使用的MOSFET安全運行。選擇閘極驅動器時，需要考慮以下要點。

米勒電容(C_DG)與寄生導通(PTO)

由於米勒電容C_DG在開關過程中將汲極(Drain)電壓耦合至閘極，SiC MOSFET容易產生寄生導通(PTO)。當汲極電壓上升時，該耦合電壓可能會短暫超過閘極臨界值電壓，進而使得MOSFET導通。在同步降壓轉換器等電路中，MOSFET通常成對使用，具有一個高壓側(High Side)和一個低壓側(Low Side)MOSFET，而寄生導通會導致這些電路中的擊穿(Shoot-through)導通。當高壓側和低壓側MOSFET同時導通時，就會發生擊穿導通，導致高壓通過兩個MOSFET短路到GND。此類擊穿的嚴重程度取決於MOSFET的運作條件和閘極電路的設計，關鍵因素包括匯流排電壓、開關速度(dv/dt)，以及汲極-源極電阻(R_DS(on))。在最糟糕的情況下，寄生導通會引發災難性的後果，包括短路和MOSFET損壞。與PCB布局和封裝有關的寄生電容和電感也會加劇寄生導通。透過對元件的關斷電壓進行負偏壓(Negative Bias)，可避免這種情況發生，如後文所述。

閘極驅動器電壓範圍

MOSFET透過向其閘極施加電壓來實現導通和關斷，電壓由專用的閘極驅動器提供，如圖1所示。閘極驅動器負責提供拉電流，使MOSFET的閘極充電至其最終導通電壓V_GS(on)，並在元件放電至其最終關斷電壓V_GS(off)時提供灌電流。

閘極驅動的正電壓應足夠高，以確保MOSFET能夠完全導通，同時又不超過最大閘極電壓。在使用SiC MOSFET時，必須考慮到它們通常需要比Si MOSFET更高的閘極電壓。同樣，雖然0V的電壓足以確保Si MOSFET關斷，但通常建議SiC元件採用負偏壓方式，以消除寄生導通的風險。在關斷過程中，允許電壓向下擺動至-3V甚至是-5V，以取得一定餘裕，可以避免在某些情況下觸發V_GS(th)，並意外啟動元件。

以這種方式對閘極電壓進行負偏壓，還能降低MOSFET的E_OFF損耗。如圖2所示，在驅動安森美的第2代EliteSiC M3S系列SiC MOSFET時，將關斷電壓從0V降至-3V，可將E_OFF損耗降低25%。

R_DS(on)和Q_G(tot)

R_DS(on)是當元件透過施加到閘極上的特定閘極到源極電壓(V_GS)導通時，MOSFET的汲極和源極之間的電阻。隨著V_GS的增加，R_DS(on)通常會減少。由於MOSFET被用作開關，一般來說，R_DS(on)越小越好。總閘極電荷Q_G(tot)是使MOSFET完全導通所需的電荷，單位為庫侖，通常與R_DS(on)成反比。Q_G(tot)電荷由閘極驅動器提供，因此驅動器必須能夠提供拉灌所需的電流。

最佳化功率損耗

要利用SiC MOSFET降低開關損耗，設計人員需要權衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損耗是其導通損耗和開關損耗之和。導通損耗的計算公式為I_D²*R_DS(on)，其中I_D為汲極電流，選擇R_DS(on)較低的元件可將導通損耗降至最低。然而，由於Q_G(tot)與R_DS(on)之間的反比關係，較低的R_DS(on)值將要求閘極驅動器具有較高的拉電流和灌電流。換句話說，當設計人員選擇R_DS(on)值較低的SiC MOSFET來減少大功率應用中的導通損耗時，閘極驅動器的拉電流(導通)和灌(關斷)電流要求也會相應增加。

SiC MOSFET的開關損耗更為複雜，因為它們受到Q_G(tot)、反向恢復電荷(Q_RR)、輸入電容(C_ISS)、閘極電阻(R_G)、E_ON損耗和E_OFF損耗等元件參數的影響。開關損耗可以透過提高閘極電流的開關速度來降低，但與此同時，較快的開關速度可能會帶來不必要的電磁干擾(EMI)，特別是在半橋拓撲結構中，在預期的開關關斷時還可能觸發寄生導通。如上所述，也可以透過對閘極電壓進行負偏壓來降低開關損耗。

SiC閘極驅動器攸關最終效能

SiC MOSFET具有增強的導電性、低開關損耗、高運作頻率和高耐壓能力，為快速電池充電器和伺服驅動器等電力電子應用的設計人員帶來了眾多優勢。如本文所述，閘極驅動器電路的設計是確保SiC MOSFET發揮預期功能、最佳化損耗並防止寄生導通情況造成損壞的關鍵，謹慎選擇MOSFET和閘極驅動器對最終應用的性能至關重要。

例如，NCP(V)51752系列隔離式SiC閘極驅動器便專為功率MOSFET和SiC MOSFET元件的快速開關而設計，拉電流和灌電流分別為4.5A和9A。NCP(V)51752系列包含嵌入式負偏壓軌機制，無需系統為驅動器提供負偏壓軌，節省了設計和系統成本。

(本文作者為安森美行銷經理)

參考資料

[1] 歐盟委員會 - 能源標籤和生態設計, https://ec.europa.eu/info/energy-climate-change-environment/standards-tools-and-labels/products-labelling-rules-and-requirements/energy-label-and-ecodesign/energy-efficient-products/electric-motors_en, retrieval date: 6/21/2021.