與IGBT相比，碳化矽(SiC)MOSFET具有更高的效率和功率密度，因此在設計高功率應用時獲得工程師的青睞。為了保持整體系統高效能並減少功率損耗，替SiC MOSFET搭配合適的SiC閘極驅動器至關重要。
在設計電動車、不斷電供應系統、工業驅動器和泵等高功率應用時，系統工程師傾向選擇碳化矽(SiC)MOSFET。與IGBT相比，SiC技術具有更高的效率和功率密度。為了保持整體系統高效能並減少功率損耗，為SiC MOSFET搭配合適的SiC閘極驅動器可謂至關重要。
本文將闡述系統效能的重要性，並簡要說明SiC閘極驅動器的選擇標準，包括SiC功耗散逸(Power Dissipation)、SiC導通和關斷基本原理，以及如何減少開關損耗。最後，以安森美(onsemi)整合負偏壓(Negative Bias)的3.75kV閘極驅動器NCP(V)51752為例，說明負偏壓關斷將為閘極驅動器帶來哪些優勢。
減少功率損耗提升效率
談到功率損耗管理，對於數十千瓦(kW)到百萬瓦(MW)的高功率應用來說，哪怕是千分之一的效率提升都非常重要。例如，若100W應用的效能達到95%，則需要透過散熱策略處理的功耗散逸僅有5W，可能添加一個散熱片或一個風扇就已經足夠；然而，若是以相同效能運行的350kW應用，將會產生17.5kW的功耗散逸，因此需要投入大量工程資源和成本來改善散熱策略，同時也會對碳足跡產生負面影響。
SiC的總功率損耗本質上是導通損耗與開關損耗的總和。當SiC MOSFET完全導通時，SiC導通損耗主要由I2R決定，其中I是汲極電流(ID)，R是RDS(ON)，即SiC MOSFET完全導通時汲極(Drain)至源極(Source)電流路徑的電阻。系統工程師可以透過選擇RDS(ON)較低的SiC MOSFET、並聯配置多個SiC MOSFET(或同時使用兩種方法)，將導通損耗降至超低水準。
SiC開關損耗比較複雜，會受到總閘極電荷(QG(TOT))、反向恢復電荷(QRR)、輸入電容(CISS)、閘極電阻(RG)、EON損耗和EOFF損耗等參數影響。
總閘極電荷(QG(TOT))
總閘極電荷QG(TOT)表示閘極驅動器為完全導通或關斷MOSFET所需要注入閘極電極的電荷量，單位為庫侖。通常，QG(TOT)與RDS(ON)成反比。因此，當系統工程師選擇低RDS(ON)的SiC MOSFET來降低高功率應用中的導通損耗時，閘極驅動拉電流(導通)和灌電流(關斷)的要求將相應增加。
要降低系統設計的開關損耗相當具有挑戰性，一方面需要快速進行導通和關斷以盡可能減少開關損耗；另一方面，開關速度提高可能會引發電磁干擾(EMI)，預期的關斷過程中還可能出現危險的寄生導通(Parasitic Turn-on)，尤其是在半橋式拓撲中。
導通和關斷
為了操作MOSFET並開始導通，需要將一個電壓施加於閘極端子(相對於源極端子)。專用驅動器被用來向功率元件的閘極施加電壓並提供驅動電流。閘極驅動器透過拉電流(Sourcing)或灌電流(Sinking)來導通或關斷功率元件(圖1)。為此，閘極驅動器需要對功率元件的閘極充電，直到達到導通電壓VGS(ON)，或者驅動電路使閘極放電直到達到關斷電壓VGS(OFF)。為了實現兩個閘極電壓電平之間的轉換，閘極驅動器、閘極電阻和功率元件之間的環路中會產生一些功耗。
圖1 閘極驅動器的MOSFET驅動導通/關斷操作和電流路徑
如今，低功率和中功率應用的高頻轉換器主要使用功率MOSFET。不過，閘極驅動器不僅適用於MOSFET，還非常適合新型寬能隙元件，如SiC MOSFET和氮化鎵(GaN)MOSFET。當需要更高的驅動電流快速導通/關斷電源開關時，SiC MOSFET是目前性能表現較佳的元件。
寄生導通
由於di/dt非常高，當閘極驅動器達到最小閘源電壓(Gate to Source Voltage)時，可能會出現嚴重的振鈴(Ringing)。PCB布局與封裝引起的寄生電容和電感進一步加劇了這種情況，導致關斷時產生電感衝擊(Inductive Kick)。這些電感衝擊可能會無意中使得電壓達到VGS(TH)，導致在預期關斷期間意外導通，進而引發災難性後果。以半橋式應用為例，當低邊開關關斷，而高邊開關即將導通時，若電感衝擊導致電壓達到VGS(TH)，低邊開關便可能會意外導通，導致高邊和低邊開關同時導通，產生貫通電流(Shoot-through Current)。這可能會造成高壓軌接地直接短路，進而導致MOSFET受損。有一個非常有效的方法可以解決此問題，即在關斷時將電壓擺幅降至0V以下(至-3V甚至-5V)，進而給出一些餘裕，以防意外電感衝擊讓電壓達到VGS(TH)。
開關損耗
圖2展示了負偏壓關斷(Negative Bias Turn off)的第二個優點，即減少了EOFF開關損耗。圖中，x軸表示從0V到-5V的負偏壓關斷電壓，y軸表示開關損耗(µJ)。以安森美專為高開關頻率應用而設計的第二代M3S系列SiC MOSFET為例，在驅動該SiC MOSFET時，透過將關斷電壓從0V降至-3V，開關損耗最多可減少100uJ。EOFF從0V時的350µJ降至-3V負偏壓關斷時的250µJ，由此令EOFF損耗減少25%。
圖2 負閘極偏壓 (資料來源：AND90204/D)
負偏壓關斷提高性能/降低成本
負偏壓關斷有助於保留餘裕，避免受到電感衝擊影響而產生貫通電流，同時也減少了開關損耗，進而優化閘極驅動器性能。安森美提供多種高電壓、高功率隔離式SiC閘極驅動器，能夠在關斷期間支援「外部負偏壓」，讓系統向閘極驅動器提供-3V或-5V電壓以生成負電壓擺幅(Negative Swing)。
安森美內置負偏壓的新型隔離式SiC閘極驅動器系列NCP(V)51752，由於內置了負偏壓，系統不必向閘極驅動器提供負偏壓軌，因而能夠節省系統成本。該系列產品為3.75kV、4.5A/9A的單通道SiC閘極驅動器，支援電氣隔離(輸入至輸出)，並且整合負偏壓，因此能夠減輕在預期關斷期間意外導通的風險、將EOFF開關損耗降低25%、節省系統成本。
(本文由安森美半導體提供)