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SiC MOS 驱动说明

2025-05-20 16:18:25


一、SiC MOSFET驱动电路设计基本要求

  1. 驱动电压:足够的正压,适当的负压,推荐电压负压-3-4V, 清纯 SiC MOS D2/H2/H推荐正压(15V-18V),D1/H1推荐正压(18V

  2. 驱动电流要足够大,通常要求>5A驱动电流,也可根据Qg计算

  3. 选择合适的RgonRgoff电阻,为抑制震荡通常Rgon选择在10R以下, RgoffRgon2/3左右,必要的时候加GS电容(100pF-2nF以内),根 据震荡程度和开关速度以及效率要求可适当调整

  4. 应用于中大功率系统或低内阻MOS(通常100mR以下)可选择247-4 263-7封装以便减小回路震荡和降低开关损耗

  5. 隔离:CMTI尽可能高(>100KV/us)

  6. 保护:必要的过欠压保护,短路保护等

  7. 其它:米勒钳位,耐高温,可靠性,成本

  8. PCBLAYOUT设计驱动回路面积要尽量小,减少寄生电感和电容

  1. 如何选择SiC MOSFE驱动IC

  1. 由于SiC MOSFETdv/dt通常可达30V/ns~80V/ns,推荐驱动IC的抗干扰性CMTI>=100V/ns,此外为了防止dv/dt通过极间电容耦合到原边产生共模电流,因此要求驱动IC极间电容最好<2pF

  2. SiCMOSFET的开关频率通常很高,因此死区时间要求更短,为此驱动IC的传输匹配延时要尽量小,一般推荐<50ns

  3. 驱动电流的大小与开关器件工作速度密切相关,为适应高频快速开通关断需求,一般推荐驱动IC峰值电流不小于5A

  4. 为了防止发生误开通,通常推荐采用带有源米勒钳位功能的驱动IC

  1. SiC MOSFET桥臂串扰及门极震荡问题

桥臂串扰是指SiC器件速度很快,高速变化的dv/dt通过米勒电容Cgd耦合到门极产生误动作, 主要从以下几点解决桥臂串扰:

  1. 器件方面:尽量提高门极阈值电压Vth,减小Crss/Ciss 比值;

  2. 驱动电路方面:减小门极驱动电阻Rg和关断电阻Roff 或者减小门极寄生电感Lg;增加外部栅 源电容CGS;尽量采用带有源米勒钳位脚驱动芯片;

  3. 驱动电压方面:清纯的SiC MOSFET 通常推荐-3V/-4V的负压关断以减小误开通风险 ;

  4. 增加外部电容CGS会降低器件速度,增大RgRoff会降低开关速度,需平衡震荡幅度和效 率,为了充分利用SiC MOSFET的高速性能同时防止误开通,通常推荐在优化器件本身抗 干扰能力的情况下,采用负压关断并配合有源米勒钳位使用;

  5. 通过优化驱动回路的Layout以减小寄生电感来减小振荡,一方面可以将驱动侧电源电容, 驱动电阻和驱动IC尽可能的靠近SiCMOSFET以减小回路长度,另一方面可以在驱动线路 PCB下层铺地覆盖驱动线路进一步减小寄生电感。

  1. SiC MOSFET桥臂串扰原理

  1. SiC MOSFET 误开通风险因素

  1. 误开通是由高速变化的dv/dt通过米勒电容CGD耦合到门极产生门极电压变化从而导致关 断时Vgs超过阈值电压导致误开通,因此误开通不仅和阈值电压Vth有关,还与dv/dt产生的 电压变化有关。

  2. Vee=-3V关断为例,门极电压阈值裕度为ΔVgs_th=Vth-Vee, dv/dt趋于无穷大时,dv/dt 产生的门极电压变化为:ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss. 由此当门极电压阈值裕度ΔVgs_th越大于 dv/dt造成的门极电压变化ΔVgs,器件Vgs安全裕度越大,误开通风险越小。

  3. 清纯的MOS 高温特性较好,并且优化了器件寄生电容比值,dv/dt造成的门极电压变化较小, 因此Vgs安全裕度较高,评价器件本身误开通风险要综合考量阈值电压和dv/dt产生的门极 电压变化。

  1. SiC MOSFET电压尖峰问题

  1. 电压尖峰主要是由于关断时过大的di/dt在回路寄生 电感上产生压降(Lp1+Lp2)di/dt造成。因此如果增大 门极驱动电阻Rg , di/dt减小,电压尖峰会减小,但是 开关损耗会增加。因此通常是先优化回路寄生电感 来实现。不盲目增加Rg

  2. 如下图由于母线电容寄生电感较大回路较长,因此 通常需要在尽量靠近器件的地方插入寄生电感小的 MLCC/Cer缓冲电容,这样高频电流会流向低阻抗 回路,产生电压尖峰会变成Lp1*di/dt,从而使得电 压尖峰减小。此外,需要利用PCB多层布线和磁场 抵消的原理,优化Layout减小寄生电感。

  1. SiC MOSFET 驱动电压选择

  1. 目前市场上SiC MOSFET荐驱动正压主要有 +20V,+18V,+15V三种规格,大部分客户希望 SiC MOSFT的驱动电压能与15V Si 器件兼容,清纯 的SiC MOSFET 驱动正压分两种版本,一种为+15V D2/H2),另一种为+18VD1/H1),如右图所示 门极电压越高,Rds(on)越小,如果推荐电压为 +18V工作的SiC器件,如果在+15V下工作Rds(on)会 比标称值大,但如果工作在+15V以下Rds(on)比标称 值大很多,所以一般不推荐+15V以下工作。

  2. 负压推荐-3-4V.

  1. SiC MOSFET 驱动电压选择

一般中大功率多管(2个以上)应用不推荐0V关断,由于SiC MOSFET的阈值电压较低,dv/dt非常大,为了防止误开通,通常推荐采用-3/-4V关断,这样有5.7V/6.7V的阈值裕度, 比SiMOSFET阈值略高,负压的产生如下图给出了两种如何利用单极性电源+18V产生+15V/-3V的方法,仅需TVS管和电容就可以实现负压关断。

SiC MOSFET 驱动电压设计方案1

  1. SiC MOSFET多为+15/-3V+18/-5V电压驱动。要在Si MOSFET单电源正压驱动电路中中 实现负压电路,可以在驱动回路中增加少量元件产生所需要的负压,如需要+15/-3V的驱 动电压,则单电压需要提供+18V即可,有如下方案可以实现

  2. +14V左右的稳压管Z1加上Z2管正向导通压降,在开通时候将电压稳定在+15V左右,这 样在开关管导通时电容C10上就会有3V压降;开关管关断时候,驱动芯片内部下管导通加 在GS上的电压为-3V,如下图

SiC MOSFET 驱动电压设计 方案2

3V的稳压管Z1稳定驱动用的负压,开通的时候电容C10上稳定3V电压,则驱动正压就保 持为15V,关断时候加在GS上电压就是电容C10的电压为-3V,如下图。

  1. SiC MOSFET 驱动电压设计

  1. 两种方案均能使用较少的器件实现所需要的驱动 负压,但是器件第一次工作前均为0V,不能在常 关状态下保持稳定负压,容易被干扰误开通。针 对点可以通过增加一个电阻R1上拉,在上电后就 预先给电容C10进行预充电稳压在3V,就可以实现 未工作时保持负压,如右图。在单电源供电的情况下,只需要对电路进行微小 的调整,即可实现SiC MOSFET替代Si MOSFET

SiC MOSFET 驱动电压设计 方案3

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.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 号使能之前建立,因此,SiC MOSFET的每个开关周期都是负压关断,驱动更可靠。

SiC MOSFET并联注意事项

为了防止器件并联不均流,主要可以从以下三个方面考虑:

1、静态不均流需要保证SiC MOSFET本身的参数一致性,需要筛选 参数(如Vth,Rdson)尽量一致的MOSFET来做直接并联。

2、为了使得寄生参数一致性较好,需要保证每个SiCMOSFET的驱动 回路和主功率回路尽量对称,要求驱动芯片输出到每个SiCMOSFET的栅极距离一样。

3、动态不均流会以环流的形式呈现,因此为了减小不均流,需要减 小环路电流,即增大环流回路阻抗。如右图所示,为了减小驱动 回路造成的环流路径I,需要为每个MOSFET配置单独的电阻Rg1,Rg2, Rs1, Rs2,通常1欧姆左右,以增加回路阻抗,增强动态 均流。功率环流路径II通常通过Layout对称保证,必要的情况也可 以在回路加入反耦合电感以增加环流回路阻抗。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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