新年聚焦:想让碳化硅继续火热?先来解决这个难题!

近年来,碳化硅(SiC)被媒体炒作的非常火热,也确实有一些领先的应用案例,为了充分发挥碳化硅的诸多优势,还需要使用者静下心来思考一些面对的难题,其中一个重要问题就是碳化硅器件的驱动。为此,我们采访了多家碳化硅半导体头部企业的技术管理和设计人员,请他们根据各自公司的碳化硅器件特点各抒己见,下面就与大家一一分享关于碳化硅器件驱动的精彩解答。

如何得到可靠稳定的驱动?

Cree|Wolfspeed应用经理魏晨先生认为,传统硅MOSFET的典型驱动电压是12V,传统硅IGBT的典型驱动电压为15V;而像Wolfspeed广泛应用的第二代SiC MOSFET的驱动电压为20V。因此,许多客户希望能够降低SiC MOSFET的驱动电压,与传统硅器件类似最好。为了方便客户使用,Wolfspeed第三代SiC MOSFET的典型驱动电压从第二代的20V降低为15V,更容易实现驱动,同时也降低了驱动损耗。

他表示:“为了得到可靠稳定的驱动,我们推荐使用基于隔离电源和隔离驱动芯片的方案。”他以门极电压极限是+19V-8V的Wolfspeed第三代SiCMOSFET为例解释道:“在典型桥式电路应用中,我们推荐客户使用+15V/-3V的驱动电压,把正负驱动电压的精度做到+-5%。15V可以保证MOSFET有效开通,并相对最高极限电压19V保留4V的电压裕量。-3V的负压可以有效避免由串扰引起的共通问题,同时-3V距离-8V的门极电压极限保留5V裕量。”

对于高频桥式电路应用,他说,为保证驱动的可靠,驱动芯片的CMTI需要大于100V/ns。推荐选用满足系统隔离工作电压的要求,并有足够驱动能力、带有米勒钳位功能的驱动芯片。结合一个合理的PCB布局,米勒钳位能够帮助用户降低共通风险,实现更高的系统可靠性,还能帮助用户抑制门极负压尖峰以满足SiC MOSFET的门极电压要求,非常适合SiC MOSFET的驱动。

他表示,像TI的UCC5350MC、ADI的ADuM4121等都是值得尝试的分立SiC MOSFET驱动器。Wolfspeed与TI、ADI及SiLabs等主流驱动厂商也在不断积极合作,为Wolfspeed的SiC MOSFET量身打造最合适的驱动产品。

如何平衡低损耗和高可靠性?

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理苏勇锦先生指出,碳化硅在高速开关时,门极驱动要有快速响应时间,而器件的高速开关时会产生浪涌电压,影响电路稳定特性、损耗等。ROHM除了提供SiC器件外,还提供包括门极驱动IC在内的局部电路解决方案,除了支持指引PCB layout合理布线(减小寄生电感)外,ROHM的资深FAE技术团队还可根据客户实际应用电路给出合理有效的浪涌电压抑制电路及器件参数,给客户排忧解难。

他介绍说:“对于SiC驱动电压,为了在低损耗和高可靠性之间寻找平衡点,针对ROHM已经量产的第二代和第三代碳化硅MOSFET,推荐驱动电压为18V,为了达到和传统Si器件的IGBT以及SJ-MOS的驱动兼容,ROHM第四代SiC-MOS的驱动电压将可同时对应18V或15V,属于同行业先进水平。”ROHM提供多种类型评估板,可评估驱动IC和SiC-MOSFET(包括单管或SiC模块),实现各种电路自由搭配、双脉冲实验等。

据他介绍,目前汽车市场的碳化硅驱动IC主要是磁隔离、容隔离占主导,ROHM拥有业界先进的磁隔离技术,据不完全统计,目前ROHM的门极驱动IC占全球磁隔离式驱动IC的份额的80%以上。ROHM的碳化硅+门极驱动IC的解决方案能自由搭配功率电路部分,同时可以提供全方位的技术支持,能及时有效地解决客户在使用SiC上的后顾之忧。

怎样方便客户实现兼容设计?

三菱电机半导体大中国区技术总监宋高升先生表示,该公司的碳化硅器件采用对称设计的封装,比如最新推出的第二代1200V,600A/800A碳化硅器件,以及3300V/750A碳化硅器件,其寄生杂散电感非常小,从而使其开关波形振荡小、开关平稳。

他介绍说:“为降低桥臂串扰带来的误动作,三菱电机在MOS门极氧化层形成过程中采用独特的再氧化工艺,在保证低通态电阻的同时增大开通阈值电压至4V。三菱电机采用再氧化工艺的600V SiC MOSFET器件已经在家电用DIPIPMTM上使用。同时,三菱电机利用此工艺正在开发1200V高开通阈值电压的SiC MOSFET器件。”

他说:“针对门极驱动电压,三菱电机推出的工业用碳化硅器件对门极氧化层进行了特别的设计,使其驱动电压与IGBT器件保持一致,也即±15V,这样方便客户进行兼容设计。”

相对于IGBT 10μs的短路耐受时间,碳化硅器件的短路耐受时间一般只有2-4μs,需要更加快速精确的短路保护方式。为了解决这个问题,三菱电机开发了集成RTC电路的碳化硅模块,当短路发生时,碳化硅模块内部的RTC电路会自动降低门极电压,漏极电流会随之大大降低,碳化硅器件的短路耐受时间也会随之延长。RTC电路同时会输出一个短路信号给外侧驱动器,驱动器启动保护,及时关闭驱动信号。宋高升说:“我们实际测试,从短路发生到启动保护,只有1.2μs,大大提高了短路保护的可靠性,也极大简化了驱动器短路保护电路设计。”

关于碳化硅驱动器的保护,他认为,碳化硅器件关断速度快,di/dt较大,为了保证关断尖峰电压不超过其额定电压,需要增加有源钳位电路;碳化硅器件短路电流较大,为了保证可靠关断,需要采用软关断电路;如之前所说,碳化硅器件的开通阈值电压较低,为了防止桥臂串扰造成的误开通,可以增加米勒钳位电路,防止门极误开通。

据介绍,一些驱动器设计厂商会针对三菱的碳化硅器件设计即插即用的驱动器,客户可以根据自己的需求进行对比选择;由于三菱的部分碳化硅器件内部集成了RTC电路,因此可以降低驱动保护电路的设计难度,客户也可以根据自身的情况自己设计驱动。

怎样保证既安全又可靠?

安森美半导体先进方案部产品营销经理黎志远先生认为:“从门极驱动角度来看,与SiC MOSFET相关的低gm或跨导带来了挑战,我们需要考虑采用隔离 + 施加负偏压。”

他解释道,SiC MOSFET比硅器件对门极电压的依赖性更大,门极驱动器需要能够提供+20V和-2V至-5V的负偏压,同时具有最小的输出阻抗和高电流能力。当非理想的PCB布板和较长的封装引线引入寄生电感时,在高di/dt和dv/dt开关期间功率晶体管的门极-源极驱动电压可能会出现振铃。如果振铃超过阈值电压,则存在意外导通甚至击穿的风险。在门极驱动器上施加负偏压是一种将振铃保持在阈值以下的常用方法。负电压可以提高SiC MOSFET的噪声容限,从而可以防止无意间使其导通。负门极-源极电压会使Cgd的电容变小,从而可以降低振铃电压。

防止严重的安全问题并提升可靠性的一种方法是隔离。安森美半导体有第一代带有负电荷泵的非隔离型驱动器NCP(V)51705,和即将推出的隔离型驱动器。后者提供带有外部齐纳二极管和电容器的SiC驱动方案。此外,安森美半导体正在开发第二代集成隔离+负偏压控制的SiC驱动方案以节省物料单(BoM)成本。

他介绍说,安森美半导体的NCP/NCV51705驱动器主要用于驱动SiC MOSFET晶体管。为了将导通损耗降至最低,它能够将最大允许门极电压提供给SiC MOSFET器件。在导通和关断期间,提供6A的高峰值输出电流,从而最小化开关损耗。为了提高可靠性、dV/dt抗扰度及更快关断速度,NCP/NCV51705可以利用其板载电荷泵产生用户可选的负电压轨。对于隔离应用,NCP/NCV51705还提供一个外部可访问的5V电源轨,为数字或高速光耦隔离器的次级端供电。

他建议采用NCP(V)51705 +NCID9401/11(数字隔离器),或隔离型驱动器+ 分立器件(齐纳二极管及电容器)来设计碳化硅驱动。设计人员可以试用安森美半导体的SiC MOSFET驱动器子卡来评估SiC MOSFET驱动器。子卡包含NCP51705驱动器和所需的所有驱动电路。该卡还包括一个板载数字隔离器,并能够焊接采用TO-247高压封装的任何MOSFET或SiC MOSFET。

至于选择哪种碳化硅器件驱动的模式更好?他认为,这取决于客户的需求和喜好。NCP(V)51705非隔离型、单通道,但集成负电荷泵、去饱和(DESAT)、驱动器状态标志等,是高效可靠地驱动SiC MOSFET的简单、高性能、高速的方案。安森美半导体即将推出的隔离型驱动器基于电隔离、双通道,采用死区时间(DT)控制,与竞争器件引脚兼容。

使用传统硅驱动器也行?

UnitedSiC工程副总裁AnupBhalla先生认为,对于SiC MOSFET来说,通常需要使用负门极驱动来使之关断,而使用高正驱动来获得最低的Rdson。然而,这使得SiC MOS更接近于其门极氧化层能够长期可靠工作的最大电场,而不会产生Vth偏移和过大的迟滞。

他说:“我们的SiC FET通过允许0到12V的门极驱动,能够像普通的硅MOSFET一样容易得多。5V的高Vth看起来就像一个IGBT,因此设计师会发现,结合我们非常好的Crss/Ciss比,即使硅MOS或IGBT不能用,我们的SiC FET真的可以使用单极门驱动器。”

他介绍,UnitedSiC在其在线SiC FET用户指南中总结了门极驱动信息。它简单地陈述了每个器件的Rgon/Rgoff的正确值和缓冲RC值。由于门极电流很低,而且不需要米勒钳位,几乎可以使用任何标准硅驱动器、IGBT驱动器或先进的SiC驱动器。事实上,许多用户甚至使用基于脉冲变压器的简单门驱动器。

同样,UnitedSiC SiC FET的全部价值在于不需要使用更昂贵的新型SiC MOSFET或类似GaN的驱动器。具有足够DV/dt额定值和CMTI额定值的传统硅驱动器就足够了。其中许多是目前用于超结硅MOSFET的。

他最后表示:“对于我们的器件,我们建议f<100kHz用0-12V,或f>100kHz用0-15V门极驱动器。我们建议在适当的地方使用RC器件缓冲器,而不是用Rgon/Rgoff电阻来控制开关,以便在低开关损耗和EMI/过冲之间获得更好的平衡电压。”

驱动SiC的挑战有哪些?

Power Integrations工业高压营销总监Francesco Fisichella先生认为,在驱动SiC器件方面,有几个挑战需要解决:

首先,与IGBT(+15V/-15V)不同,SiC器件没有通用门极电压。门极电压大小不一,可以介于-4V和-10V/+15V和+20V之间,这完全取决于器件厂商所采用的技术。因此,SiC器件驱动器必须非常灵活。不过,发展趋势是-5V和+15V至+20V。

第二,并非所有SiC模块都能承受短路,那些能承受短路的模块通常比IGBT模块(通常为10μs)的承受时间要短得多(2-4µs)。这就要求门极驱动器能够检测到短路,并非常迅速地关断器件,而不会因灵敏度过高和误触发造成问题。

第三,控制负电压至关重要。所施加的负电压对SiCMOSFET的门极氧化可靠性有很大的影响,从而影响其寿命。这个问题要求负轨的电压得稳定好。此外,驱动器必须能够在比典型负压更高的情况下工作(例如-5V,而不是-10V),而不会因电压尖峰而导致寄生导通。后一种情况可能导致转换器内部发生严重故障,例如电桥短路。

他表示:“我们观察市场的发展趋势,为客户量身提供定制化的解决方案,并为一些应用场景提供开放市场的解决方案(在回答您的下一个问题时具体介绍)。”

他介绍说,Power Integrations的SCALE™-2和SCALE-iDriver™技术能够满足各种不同的门极电压要求及短路要求,方法是通过控制负轨或正轨。

这在应用指南《使用SCALE-2和SCALE-2+门极驱动核以及SCALE-iDriver门极驱动器IC控制SiC MOSFET功率开关》中已有介绍。除了驱动IGBT和MOSFET等常规硅基功率器件(分别需要+15V/-10V和+10V至+20V/0V的开通和关断门极电压)外,SCALE-2、SCALE-2+门极驱动核以及SCALE-iDriver门极驱动IC还能够驱动SiC MOSFET功率开关。但是,如上面所说,SiC开关通常需要的开通和关断电压电平与硅基器件所要求的不同。该应用指南探讨了将SCALE门极驱动器与SiC MOSFET开关配合使用的优化方法。

该应用指南介绍了如何根据目标SiC MOSFET的需要,修改SCALE-2驱动核周围的电路,以调整和控制负(或正)轨的电压。此外,还介绍了用于调整短路保护的方法,以满足(举例)2µs的检测和关断时间。

Power Integrations的网站提供了大量关于SCALE-iFlex™产品的详细技术文档。SCALE-iFlex门极驱动器产品系列包括一个中央绝缘主控制(IMC)和多达四个模块适配型门极驱动器(MAG),以及一个电缆套件。IMC适用于耐压高达3300V的功率模块,而MAG则有不同的型号,适用于不同供应商推出的功率模块和3300V电压等级的各种器件技术。

SIC1182K单通道SiC MOSFET门极驱动器就是其中很好的例子,它的额定电流高达8A,并可提供高级有源钳位和高达1200V的加强绝缘。

最重要的问题是,SiC驱动器必须与SiC模块完美匹配。这听起来似乎很简单,但是如前所述,SiC门极驱动器比IGBT驱动器更复杂,因为SiC的特性导致参数范围更广,并且保护功能必须进行高度调优。因此,SiC模块制造商可能会推荐首选合作伙伴的可靠解决方案。PowerIntegrations长年专注于门极驱动器设计,可提供标准设计、经配置的标准设计和全定制设计。

怎样选择优化驱动解决方案?

意法半导体工业功率转换部门产品市场经理CarolinaSELVA女士首先介绍了SiC门极驱动的一些最低要求:

第一,在整个工作温度范围内,dV/dt瞬态耐量为±50 V/ns,这是因为SiC MOSFET是为快速开关和高频开关专门设计的;

第二,最小差分电源电压摆幅为22-28 V(取决于是否施加负关断门极电压)。SiC MOSFET需要更高的正门极驱动电压(+20 V),取决于应用是否需要负关断门极电压;

第三,在整个工作温度范围内驱动ST SiC 1200V 100mΩ功率管,驱动电流(灌电流和拉电流)至少达到2A,这个要求可保证开关损耗最小化。

ST的驱动器考虑到了所有这些问题,并解决了这些驱动设计难题,电压摆幅和驱动能力比普通IGBT驱动器更高。

他告诉笔者,STGAP1AS就是一个广泛使用的碳化硅栅极驱动器。该驱动器的驱动能力为5A,驱动器输出部分有轨对轨输出,并可以使用负栅极驱动电压。此外,灌电流和拉电流是独立的输出,这样配置提高了驱动灵活性,并有助于降低外部组件的物料清单成本。

其内置米勒钳位保护功能可在半桥配置的功率电路开关时控制米勒电流。当SiC功率开关管是关断状态时,驱动器可以避免同一桥臂上的另一个开关管导通产生的CGD电容引起的感应导通现象。

在关断状态时,驱动器使用CLAMP引脚监视开关管的栅极电压。当栅极电压降至VCLAMPth阈压以下时,驱动器激活CLAMP开关,创建一条低阻抗路径,防止不必要的开关导通。

在整个工作温度范围内,dV/dt瞬态耐量为±50 V/ns。

SiC MOSFET的开关频率是同级IGBT开关管的五倍,可用于设计尺寸更紧凑、可靠性和能效更高的高效太阳能逆变器、高压电源和驱动器。

他提醒设计人员,在设计碳化硅应用时应该注意影响开关行为的一些主要因素:

首先,关断能耗(Eoff)取决于Rg和VGS-off(负偏置栅极电压)。排出更多门极电流可以降低Eoff,有两种方法抽取门极电流,一个方法是降低门极电阻(Rg),另一个方法是在关断期间用负偏置门极电压。

其次,导通能耗(Eon)与Rg电阻有关。降低栅极电阻还可以改善导通性能;负偏置栅极电压对独立SiC MOSFET的导通能耗没有影响,仅稍微延长了实际导通时间;负栅极驱动偏置电压可以明显改善半桥衍生拓扑的导通性能,因为开关Eon受米勒效应的影响。

第三,米勒效应影响Eon和Err(反向恢复能耗)。为了避免米勒效应影响Eon和Err这种现象,必须遵守以下任意一个规则:

a)分开导通和关断路径,确保导通栅极电阻和关断栅极电阻的比率正确:始终保持在Rg-on> 1.5 * Rg-off;

b)使用-6V至-4V的负关断电压来关断MOSFET。

第四,栅极驱动电流要求。拉灌电流驱动能力不足会让SiCMOSFET功率管的优异开关性能打折扣;SiC MOSFET的能效在任何应用中都明显高于硅基解决方案,尤其是在高频应用中更加显著。因此,以有助于实现尽可能低的导通和开关损耗的方式驱动SiC MOSFET至关重要。

他说:“对用户来说,碳化硅供应商的门极驱动器充分利用他们的功率器件的知识经验,而设计公司的驱动器则专注于各种碳化硅产品,覆盖更广泛的功能需求。ST驱动器集成两种方法之长,因为不仅论是从SiC供应商角度看,还是从为SiC器件定制驱动器的角度看,ST栅极驱动器都是优化的碳化硅驱动解决方案。”

怎样满足客户多元化需求?

最后,很欣慰采访到一家既是国内企业,又是专门做IGBT驱动和碳化硅驱动的公司——青铜剑技术,非常有代表性。青铜剑技术副总经理陈恒星先生表示,从2009年开始,公司就专注于功率器件驱动领域,拥有丰富的研发经验。

谈到前一代功率器件与碳化硅器件的不同和难点,陈恒星提到以下四个方面:碳化硅器件开关频率更高,短路耐受时间更短,开通阈值更低,负压耐受能力低。

他解释说,开关频率高会造成三个问题,首先是门极电阻温升比较高,对驱动的散热设计要求很高;其次会造成较大共模干扰,驱动设计要满足这方面的要求;然后,驱动的单通道的输出功率比较大,要求驱动板原次边隔离电源功率大,效率高,体积小。

碳化硅短路耐受能力弱,通常要求驱动保护在3微秒内动作,否则就会出现不动作或误动作问题。开通阈值低,碳化硅开关速率快,较高dv/dt会产生米勒效应导致碳化硅器件误开通,影响其可靠性。碳化硅负压耐受能力低,驱动门极负压设计要恰当。这些都是碳化硅和IGBT的不同地方。

怎么克服这些难点呢?

•首先,采用大功率门极电阻,优化开关频率高带来的驱动门极温升比较高的问题,同时通过优化PCB设计,增大驱动覆铜来提高驱动散热能力;

•为优化共模干扰及高dv/dt问题,驱动增加了滤波措施,优化PCB布局,减小变压器耦合电容;

•为在有限体积内提高驱动隔离电源效率及输出功率,在驱动设计上优化变压器绕线方式及磁芯材质;

•针对碳化硅器件短路耐受时间短的问题,根据模块特性及调试经验一般将短路时间设置在1.5微秒,在恰当时间内做出保护动作;

•鉴于碳化硅器件开通阈值较低,容易出现门极误导通现象,驱动增加了米勒钳位来防止误导通;

•为解决负压耐受能力低的问题,驱动将门极电压值通常设置在-5V至0V之间。

那么,器件厂商做驱动和青铜剑这种专门做驱动的公司有什么不同呢?陈恒星称,前者一般仅专注于自己碳化硅器件的配套驱动。而青铜剑技术会针对外资品牌、基本半导体等行业内不同碳化硅器件公司的产品做定制化开发。

他说:“我们不局限于是哪一家的碳化硅器件,而是根据不同客户要求、各厂家不同的封装,包括特性和参数来提供对应的驱动。”目前看起来基本上没有重复的驱动,应用领域也更广,可在方案上提供给客户较多建议,这样更符合客户多元化的要求。

作为纯粹做驱动的专家,他给用户提供了一些建议:

•第一,购买成熟的驱动。这适合以结果为导向,想快速占领市场的客户。这是最为推荐的方法。

•第二,购买驱动核自行搭建。客户在市场上没有找到适合自己的驱动,或者供货不及时,可以采用这种做法。

•最后,购买驱动芯片自己搭建。这种公司通常有预研部门,也有充足的内外部资源可以利用。当然还能够允许比较长的开发周期。

目的只有一个

各位专家说了这么多,相信会对要使用碳化硅的设计人员有所帮助。我们的目的只有一个,就是不仅帮助用户了解碳化硅器件的好处,更要了解它的弱点和挑战,用好碳化硅器件,让它在功率系统中发挥更大的作用。

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