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正确驱动微芯的SiC MOSFET

  【2022.11.03.】

  本文为正确选择微芯 SiC MOSFET产品的栅极-源极电压以及相关器件性能和行为提供设计指导。本说明适用于MSCXXXSMAXXX类型的Microchip零件编号。

  指定SIC MOSFET的栅极驱动电压
  各个制造商在数据表中指定栅极驱动电压的方式各不相同,但大多数会有某种形式的表1。我们首先对一些术语进行定义:
  • VGS是MOSFET的栅极和源极之间的应用电压
  • VGSon是用于开启MOSFET的稳态VGS
  • VGSoff是用于关闭MOSFET的稳态VGS
  • VGSmax是制造商允许的最大稳态VGS,显示为负极和正极
  • VGS,OP是制造商推荐的VGSon和VGSoff的稳态值
  一些数据表没有指定VGSon和VGSoff;与硅MOSFET类似,不同的应用可能需要不同的最佳值。

  微芯建议
  为了获得最佳的器件性能和系统稳定性,微芯 SiC MOSFET最好使用VGSon = +20V和VGSoff = -5V来驱动。微芯 SiC MOSFET在较低的VGSon和VGSoff绝对值下仍然表现良好,但与任何设计一样,应分析和了解与次优驱动条件有关的额外损耗。为此,最佳VGSon和VGSoff背后的推理是不同的,每种情况的预期权衡将在以下章节中描述。

表1
  表1: 栅极-源极电压规格

  通态栅极驱动电压VGSon
  用较低的VGSon驱动微芯 SiC MOSFET将表现出:
  • 增加通态电阻,导致更高的传导损耗
  • 峰值(饱和)电流能力降低
  • 更长的短路耐受时间
  • 延长了栅极氧化物的寿命
  • 在相同的栅极电阻下,开关损耗增加

  通态电阻RDSon
  图1中的四条曲线显示了归一化的RDSon(归一化为25°C和20V栅极电压下的RDSon)如何随结点温度Tj而增加。图中显示的是微芯最大的SiC MOSFET裸片在四个电压等级下的数据。700V,15 mΩ;1200V,17 mΩ;1700V,35 mΩ;以及3300V,25 mΩ。
一些一般的观察结果包括:
  • SiC MOSFET的RDSon随温度的升高要比硅MOSFET低得多
  • 与其他SiC MOSFET供应商相比,微芯 SiC MOSFET在升高的Tj下显示出较低的RDSon增幅
  • 在VGSon = 18V时,RDSon显示出微小的偏移,在更高的Tj下变得更小
  • 在VGSon = 15V时,RDSon的增加幅度更大,特别是在较低的Tj时

图1
  图1:不同电压系列在不同栅极电压下RDSon的温度依赖性。

  为VGSon < 20V而设计
  由于SiC的带隙很宽,与硅相比,需要更高的电场来反转MOS门控晶体管的半导体。电场可以通过提高应用的VGSon或减少栅极氧化物的厚度来增加。提高VGSon可能需要一个新的栅极驱动器设计,而减少氧化层厚度可能使器件更容易发生故障。获得更多电流的第三种方法是增加芯片尺寸,但这会增加成本。显然,最好的技术和商业选择是新的栅极驱动器设计,但如果理想的VGSon=20V是不可能实现的,那么要做出什么样的妥协?

  对RDSon的影响
  当以较低的VGSon值驱动时,设计人员应分析RDSon在感兴趣的结温范围内如何变化。如果RDSon在相关Tj上的变化始终在VGSon=20V时的RDSon的接近范围内,那么最终的设计就可以适应这些微小的差异,并且非常稳健。对于微芯 SiC MOSFET,RDSon的生产测量表明,VGSon = 20V是VGSon = 18V时RDSon的最佳预测指标;对于Tj = 175°C的1200V SiC MOSFET来说,VGS = 18V时的RDSon仅比VGS = 20V时的RDSon高4%。
  相比之下,VGSon=20V和VGSon=15V时的RDSon比较需要仔细考虑。VGSon = 15V时的差异约为4倍,并且取决于器件阈值电压VGS(th)。出于这个原因,微芯不建议在VGSon = 15V时驱动MSCXXXSMAXXX型SiC MOSFET。如果必须用15V驱动它们,则应考虑为RDSon留出足够的设计余量。请联系您当地的Microchip销售办事处以获得支持。

  并联SIC MOSFET
  关于并联SiC MOSFET和VGSon < 20V,还有最后一点需要说明。从图表中可以看出,RDSon的温度系数在整个相关的Tj范围内可能都不是正值。在一个极端的例子中,考虑VGSon=15V时的700V SiC MOSFET。这种栅极驱动情况导致SiC MOSFET在Tj = 80-100°C之前具有负温度系数。确保并联器件均匀地分担电流是一种风险,在设计中应加以防范。然而,与前面的段落一样,使用VGSon = 18V是最简单的解决方案,非常适合大多数应用。

图2
  图2:MSC360SMA120B在Tj=150°C的不同驱动电压下的I-V曲线

  峰值电流能力
  当用较低的VGSon驱动时,MOSFET通道没有完全增强,最大电流会降低。图2显示了MSC360SMA120B在Tj=150°C的不同驱动电压下的I-V曲线。请注意,在VGSon=20V和VGSon=18V时,RDSon曲线之间的分离很小,并与VGSon逐渐下降到16V以下时RDSon的较大差异进行比较。一些重要的考虑因素包括:
  • 基于最大电流的过流保护方案可能无法触发。设计师应考虑到在较低的VGSon下,RDSon的变化较大。
  • 在较低的VGSon下,小信号跨导gm会更高。这种影响可能会导致开关不稳定,因为VGS可能在漏极-源极电压较高的情况下处于中间范围,从而导致短路事件。(短路电流的峰值将由VGSon的精确值和持续时间来决定。见下一小节)。

图3
  图3:MSC035SMA070B的短路耐受时间

  短路耐受时间
  当以较低的VGSon驱动时,短路条件下的最大电流将降低,这可能导致较长的短路耐受时间。下图显示了MSC035SMA070B在VDS=350V、470V和560V以及VGSon=20V、18V和15V的情况下,与栅极和漏极电压有关的短路耐受时间(SCWT)。可以看出,漏极电压是影响SCWT的最重要因素,其次是VGS。
  在可能发生短路的应用中,应考虑以下因素:
  • 数据表中规定的SCWT是典型的故障时间,其定义是器件不再表现出正常的电气功能。在现实中,故障发生在器件关断之后,当产生的潜热导致不可逆转的损害。本质上,当测量表明它发生时,延迟并没有发生。由于这种延迟,数据表中的SCWT只能被看作是一个典型的数字。
  • 一个更合理的要求是,在特定数量的短路事件后,指定数量的器件仍然可以运行。
  • 短路耐受时间可以通过增加器件尺寸或使用多个器件来延长,这些器件旨在通过源极退化以降低的电流水平驱动。
  如需其他指导和见解,请联系您当地的Microchip销售团队。

图4
  图4: 不同栅极电压下的器件寿命预测

  预计寿命
  下图显示,VGSon每增加2.5V,栅极氧化物的预计寿命就会减少一个数量级。这种关系适用于广泛的范围。这是一种由于长期积累的损害而导致的磨损机制。
  栅极氧化物的寿命主要由稳态栅极开启驱动电压决定。栅极上的+23V最大额定值是根据器件的预计寿命对稳态栅极电压的建议。VGSon的瞬时过冲不会对器件的寿命产生实质性的影响,因为其持续时间很短。作为一个例子,假设在25V时有一个20ns的矩形过冲,额定栅极电压为20V。根据氧化物寿命图,在脉冲期间,氧化物的降解率是80倍。然而,在开关频率为100kHz时,占空比为20/100,000=0.002。那么,相对应力只有80 × 0.002 = 16%。
  应该注意的是,在封装引脚处无法观察到瞬态的VGS。栅极和源极引线电感使其难以测量实际的栅极电压过冲。由于栅极的高电容,栅极驱动通常被过度抑制,过冲很少是一个问题。这在模拟中最容易确定。

  VGSon总结
  与推荐的+20V驱动电压相比,微芯SiC MOSFET可以在+18V驱动电压下工作,而且性能损失很小。从上图可以看出,在25°C时,RDSon的增幅要比100°C-150°C时大得多。如果芯片是热的,一个系统通常受到的传导损失的影响比25℃时的差异所暗示的要小。虽然在相同的栅极电阻下,开关损耗可能会略高,饱和电流也会更低,但积极的权衡是更长的短路耐受时间。
  在VGSon<18V的栅极驱动下工作有一定的风险,只有在RDSon有足够余量的情况下才可以使用。在较低的结温下,并联器件之间的电流共享可能会出现问题。如果需要 VGSon < 18V,请联系您的 Microchip 团队以获得设计支持。

  关断状态驱动电压VGSoff
  微芯 SiC MOSFET通常是关断的功率晶体管。在稳定状态下,不需要负的VGSoff来保持开关关断。相反,它是用来最大限度地减少开关损耗和提高开关稳定性。
  • 源极电感的存在会减缓器件的关断过程。负的VGSoff被用来克服这种影响。
  • 负的VGSoff提供了更多的余量,以避免在开关瞬态期间出现错误的导通(也称为击穿或交叉传导)。
  • 负的VGSoff已经在硅IGBT中使用了几十年。负栅极驱动并不是SiC所独有的。
  • 带有分布式晶体管的更复杂的模块需要更高的(更负的)VGSoff以避免不稳定。单个晶体管分立设计可以用很少的负VGSoff来解决。

  第三象限导通性能
  与硅IGBT不同,SiC MOSFET可以在两个方向上传导电流。下图显示了微芯的MSC360SMA120B的所谓 "第三象限 "性能;简单地说,这就是漏极电压反向时的漏极电流。如果MOSFET的通道被关断,体二极管会携带反向漏极电流。在VGSoff = -5V的情况下,所有电流都流经体二极管。随着VGS的增加,沟道开始形成,但即使在VGS=0V的情况下也保持着大量的压降,这意味着体二极管仍然携带大部分反向电流。在开关瞬态之后,通道可以被打开,也可以传导反向电流,以进一步改善传导损耗,这种技术被称为同步整流。

图5
  图5: MSC360SMA120B的第三象限I-V曲线

  体二极管的稳健性
  微芯的SiC MOSFET对体二极管的使用没有限制,但并非所有SiC MOSFET供应商都是如此。最近的第三方测量表明,竞争对手的器件会出现不同程度的体二极管退化 - 在某些情况下,168小时后的传导损耗会增加20%;而在另一些情况下,传导损耗会在不到10小时内增加一倍以上1。这种退化机制被称为复合增强的位错运动;这种现象已被充分理解,并已在其他半导体中观察到,如SiGe、CdS和GaAs。有了一定的器件技术,这种影响在SiC中可以得到缓解。
  需要再次强调的是,客户可以放心地使用微芯的SiC MOSFET体二极管,但如果您有任何疑问,请联系当地Microchip销售办事处。

表2
  表2:MSC080SMA120B的栅极-源极阈值电压

  开关噪声抗扰度
  如果在高速、硬开关应用中使用VGSoff = 0V的SiC MOSFET,有一些重要的预防措施需要考虑。在深入研究这些预防措施之前,有必要对阈值电压和夹断电压进行一些讨论。
  表2来自微芯公司采用TO-247封装的1200V、80mΩ SiC MOSFET的数据手册。由于行业惯例,标称阈值电压Vth是在VGS = VDS、Tj = 25°C和漏极电流仅为1mA的条件下测量的。由于与Vth相关的漏极电流如此之低,因此在设计中使用的更相关的参数被称为夹断电压Vp。夹断电压Vp是在特定VDS下产生特定漏极电流的VGS值。
  因此,Vp的值与VDS有关,它因MOSFET结构而异。沟槽MOSFET的Vp变化比平面MOSFET高得多;为此,为了帮助确保安全运行,沟槽MOSFET的设计是在25°C时的Vth高于需要。这意味着,平面MOSFET在Vp附近提供了更大的设计余量,这使我们最后看到了关于开关抗噪的关键信息。
  开关抗噪的 "真正 "余量应该由Vp在可能的最高VDS和允许的最大Tj下设定。对于我们目前这一代的SiC MOSFET,微芯保证在Tj = 175°C时,VGS = 0V的关断。使用负的VGSoff可以提供更多的Vp余量,从而提高开关稳定性,这也是防止错误开启的最可靠方法。如图6所示,半桥配置中的误开启通常是由米勒电容(漏极到栅极电容CGD)引起的。
  当高端器件Q2导通时,高的中点(相脚输出)dV/dt将诱导电流流过CGD,在栅极电阻ROFF上产生一个电压差。这个电压差将使低端器件Q1的实际栅极电压VGS高于稳态关断电压VEE。这个电压可能高到足以使Q1导通,Vp上的余量可以防止这种错误的导通。

图6
  图6: 半桥配置中开关诱导的误导通

  VGSoff的总结
  根据前面的讨论,微芯不建议使用VGSoff = 0V。对于没有击穿危险的单端拓扑结构(例如反激式、降压或升压拓扑),可以使用VGSoff = 0V。如果绝对需要VGSoff = 0V,应注意适当的栅极-源极环路设计。具体来说,设计者应尽量减少以下三点:(i)寄生漏极-栅极电容,(ii)栅极-源极回路电感,以及(iii)栅极-源极回路和主电流换向环路之间的共享电感。

  关键要点
  本应用说明为微芯 SiC MOSFET栅极-源极电压规格和设计考虑因素提供了指导,以打造最有效的栅极驱动电路。以下是主要的收获:
  1. 为了获得最佳的开关和导通性能,微芯建议在VGSon = +20V和VGSoff = -5V的条件下进行驱动。
  2. 允许偏离这些建议。微芯 SiC MOSFET可以在+18V下工作,但电流能力和开启效率会略有下降,但其好处是短路承受时间更长。
  3. 不建议使用VGSon = 15V驱动当前一代微芯 SiC MOSFET。如果无法避免这种情况,请联系Microchip以获得设计帮助。
  4. 微芯保证在Tj = 175°C时,VGS = 0V的关断。也就是说,使用负的VGSoff可以在Vp周围提供更大的余量,从而增强开关稳定性,这也是防止误开启的最确定方式。

  作者:Xuning Zhang、Dennis Meyer 和 Kevin Speer Microchip Technology Inc.

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