作者:安徽芯塔电子科技有限公司 李冬黎博士、钱朋飞
SiC MOSFET驱动负压关断模式在很多应用场景中会影响器件开关的可靠性。跟Si功率器件比较,SiC MOSFET开关速度较快、dv/dt高,容易造成栅极串扰。当栅极串扰电压ΔVgs超过器件阈值电压Vgs(th)时,器件将会存在误开通风险。在这种情况下,SiC MOSFET容易损坏。因此在很多工况下,SiC MOSFET需要负压关断用以确保系统安全。
如图1所示,上管MOS关断时候,桥臂中点电位下降,dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极负向串扰电压。上管开通时候,桥臂中点电位上升,dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极正向串扰ΔVgs。当ΔVgs>Vgs(th),上下功率管桥臂直通,造成器件损坏。同样原理,下管开通和关断也会在上管栅极分别造成正向和负向串扰。
△ 图1:桥臂电路中栅极串扰示意图
另外,SiC MOSFET的开启阈值电压随温度的升高而下降。因此,在栅极串扰作用下,高温下器件栅极串扰电压造成桥臂直通的风险进一步加大。因此,为防止SiC MOSFET的误导通,通常需要负压驱动。但是,目前大部分驱动芯片不支持负压驱动。本文将推荐两种驱动电路方案,基于单电源驱动芯片就可以实现负压关断。
图2为基于单电源驱动芯片的驱动电路方案一。VDD1电源通过电阻R1//R2给电容C8//C9充电,电容两端电压快速上升到D4反向击穿电压以后,D4的两端电压稳定,负压VDD2随之建立。VDD1对地PGND-HS的电压幅值大小等于正向驱动电压幅值和关断负压绝对值之和。驱动芯片6脚输出PWM驱动信号。R6为开通电阻,R6//R8为关断电阻。SiC MOSFET的栅极通过驱动芯片内部集成上拉开关管接到芯片电源(VDD1)或者下拉开关管接到芯片地(PGND-HS)。
△ 图2:负压关断驱动电路(方案一)
D4的稳压值选择取决于驱动负压大小。安徽芯塔电子第二代SiC MOSFET典型关断负压为-5V,因此D4稳压值的选取5V,例如VISHAY PTV4.7B(D0-220A封装,Vz=5V)。根据稳压管推荐的反向工作电流来计算限流电阻R1和R2。选取Iz=40mA,那么R1//R2=(25V-5V)/ 40mA=500 ohm。经计算R1和R2消耗功耗0.8W, 可以选取两个1Kohm/1W SMD电阻(封装为2512)并联。
在某些应用场景下,辅助电源无闭环电压控制,VDD1电源瞬态过压很高。这种工况下限流电阻和稳压管的功耗需要仔细核算,避免器件过热损坏。
图2的驱动方案中,VDD1辅助电源一旦有输出,负压VDD2瞬间就可以建立。换而言之,负压VDD2可以在PWM驱动信号使能之前建。因此,SiC MOSFET的每个开关周期都是负压关断,驱动可靠。
图3的驱动电路方案二是利用电容C1实现负压关断。C1比SiC MOSFET输入电容要大很多,以确保最长的关断时间内,C1在放电的情况下仍旧可以提供足够的负压。只有在PWM驱动信号使能条件下,VDD1通过驱动芯片内部上拉管子给C1充电。由于C1两端电压建立需要若干个开关周期。因此,SiC MOSFET在最初始的若干个PMM周期关断负压不足,如图4所示。开关频率越高,C1充电到稳定负压的时间越长,负压关断不足的PWM周期数越多,驱动串扰隐患加剧。
△ 图3:负压关断驱动电路(方案二)
△ 图4:栅极驱动信号和C1电压仿真结果(开关频率100KHZ,占空比0.1)
C1电容两端负压建立时间和电压纹波受开关频率和占空比的影响。C1电容增加,电容两端电压纹波减小,可是负压建立时间延长。因此,根据具体开关频率和占空比变化范围,可以优化电容C1和电阻R3,调节充放电时间常数,以平衡负压建立时间和电压纹波两个性能指标。
基于图3的驱动电路,利用LTspice对电路进行仿真以优化电路参数。栅极驱动信号和C1电压仿真结果如图4和图5所示。在开关频率100KHZ和0.1占空比工况下,电容C1两端负压40us左右(大概5个PWM周期)就建立起来,电容C1在一个开关周期内纹波电压0.1V。总上所述,开关频率过高的时候,电路方案二不建议使用。保持同样100KHz开关频率,当占空比提升到0.9时候,电容C1两端负压3us-4us就建立起来,如图5所示。
△ 图5:栅极驱动信号和C1电压仿真结果(开关频率100KHZ,占空比0.9)
从两种上述电路负压关断驱动方案的分析对比可知,两种电路方案成本相当,但第一种方案可以实现全PWM开关周期的额定负压关断,在SiC MOSFET驱动中使用更普遍。芯塔电子多款SiC MOSFET产品采用上述方案一,目前已在新能源汽车、光伏储能、充电桩等多个应用领域的头客户获得批量导入。
芯塔电子第二代 SiC MOSFET
芯塔电子目前已推出了五款650V-1700V电压等级具有自主知识产权SiC MOSFET,并且已经通过企业内部车规论证测试评估,其中数款主打型号计划在2023年通过权威第三方车规论证。2023年,公司将推出4-6款SiC MOSFET产品,包括新能源汽车主驱碳化硅功率芯片。新产品将进一步缩小芯片尺寸并优化性能,同时降低成本。
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