碳化硅MOS具有宽带隙、高击穿电场强度、高电流密度、快速开关速度、低导通电阻和抗辐射性能等独特特点，在电子器件领域有着广泛的应用。特别是在电力电子、高温电子、光伏逆变器和高频电子等领域，其性能优势能够提高器件的功率密度、效率和稳定性。
SiC MOSFET特性
碳化硅SiC
MOSFETVd‐Id特性
SiC‐MOSFET与IGBT不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。
而Si‐MOSFET在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上，与Si‐MOSFET不同，SiC‐MOSFET的上升率比较低，因此易于热设计，且高温下的导通电阻也很低。
SiC‐MOSFET的漂移层阻抗比Si‐MOSFET低，但是另一方面，按照现在的技术水平，SiC‐MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低，所以沟道部的阻抗比Si器件要高。因此，越高的门极电压，可以得到越低的导通电阻（Vgs=20V以上则逐渐饱和）。如果使用一般IGBT和Si‐MOSFET使用的驱动电压Vgs=10～15V的话，不能发挥出SiC本来的低导通电阻的性能，所以为了得到充分的低导通电阻，推荐使用Vgs=18V左右进行驱动。Vgs=13V以下的话，有可能发生热失控，请注意不要使用。
SiC‐MOSFET的阈值电压在数mA的情况下定义的话，与Si‐MOSFET相当，室温下大约3V（常闭）。但是，如果流通几A的话，需要的门极电压在室温下约为8V以上，所以可以认为针对误触发的耐性与IGBT相当。温度越高，阈值电压越低。
Turn‐on特性
SiC‐MOSFET/SiC‐SBD封装一体化产品SCH2080KE和同规格等级的Si‐IGBT/Si‐FRD封装一体化产品分别搭成半桥电路，通过感性负载双脉冲测试对开关波形进行比较。
SiC‐MOSFET的Turn‐on速度与Si‐IGBT和Si‐MOSFET相当，大约几十ns。但是在感性负载开关的情况下，由通往上臂二极管的回流产生的恢复电流也流过下臂，由于各二极管性能的偏差，从而产生很大的损耗。
Si‐FRD和Si‐MOSFET中的体二极管的通常恢复电流非常大，会产生很大的损耗，而且在高温下该损耗有进一步增大的趋势。与此相反，SiC‐SBD不受温度影响，可以快速恢复，SiC‐MOSFET的体二极管虽然Vf较高但是与SBD相同，具有相当的快速恢复性能。通过这些快速恢复性能，可以减少Turn‐on损耗（Eon）好几成。
开关速度极大程度上决定于外部的门极电阻Rg。为了实现快速动作，推荐使几Ω左右的低阻值门极电阻。请考虑到浪涌电压，选择合适的门极电阻。
SiC‐MOSFET的最大特点是原理上不会产生如IGBT中经常见到的尾电流。SiC即使在1200V以上的耐压值时也可以采用快速的MOSFET结构，所以，与IGBT相比，Turn‐off损耗（Eoff）可以减少约90%，有利于电路的节能和散热设备的简化?小型化。而且，IGBT的尾电流会随着温度的升高而增大，而SiC‐MOSFET几乎不受温度的影响。
另外，由于较大的开关损耗引起的发热会致使结点温度（Tj）超过额定值，所以IGBT通常不能在20KHz以上的高频区域内使用，但SiC‐MOSFET由于Eoff很小，所以可以进行50KHz以上的高频开关动作。通过高频化，可以使滤波器等被动器件小型化。
开关速度较大程度取决于外部的门极电阻Rg。为了实现高频动作，推荐采用Ω左右的低阻值门极电阻。并请充分考虑浪涌电压，选择合适的门极电阻。
内部门极电阻
芯片内部门极电阻与门极电极材料的薄层阻抗和芯片尺寸相关。如果是相同的设计，芯片内部门极电阻与芯片尺寸呈反比例，芯片尺寸越小，门极电阻越大。SiC‐MOSFET的芯片尺寸比Si器件小，虽然结电容更小，但是同时门极电阻也就更大。1200V80mΩ的SiC‐MOSFET产品的内部门极电阻大约为6.3Ω。
开关时间较大程度取决于外部门极电阻。为了实现快速开关，请确认好浪涌的状况，并选用几Ω左右的尽量小阻值的外部门极电阻。
门极驱动电路
SiC‐MOSFET是一种易于驱动、驱动功率较少的常闭型?电压驱动型的开关器件。基本的驱动方法和IGBT以及Si‐MOSFET一样。推荐的驱动门极电压，ON侧时为+18V左右，OFF侧时为0V。在要求高抗干扰性和快速开关的情况下，也可以施加‐3～‐5V左右的负电压。
以下是采用ROHM的驱动IC（BM6103FV‐C）并提供+18V/‐4V电压时的电路图。当驱动大电流器件和功率模块时，推荐采用缓冲电路。
为了实现快速开关，外部门极电阻请选择几Ω左右的低阻值。
体二极管的Vf和逆向导通
与Si‐MOSFET一样，SiC‐MOSFET体内也存在因PN结而形成的体二极管（寄生二极管）。但是由于SiC的带隙是Si的3倍，所以SiC‐MOSFET的PN二极管的开启电压大概是3V左右，比较大，而且正向压降（Vf）也比较高。以往，当Si‐MOSFET外置回流用的快速二极管时，由于体二极管和外置二极管的Vf大小相等，为了防止朝向恢复慢的体二极管侧回流，必须在MOSFET上串联低电压阻断二极管，这样的话，既增加了器件数量，也使导通损耗进一步恶化。然而，SiC‐MOSFET的体二极管的Vf比回流用的快速二极管的Vf还要高出很多，所以当逆向并联外置二极管时，不需要串联低压阻断二极管。
体二极管的Vf比较高，这一问题可以通过如同期整流一样向门极输入导通信号使其逆向导通来降低。逆变驱动时，回流侧的臂上多数是在死区时间结束之后输入门极导通信号（请确认使用中的CPU的动作），体二极管的通电只在死区时间期间发生，之后基本上是经由沟道逆向流过。因此，即使在只由MOSFET（无逆向并联的SBD）构成的桥式电路中，体二极管的Vf较高也没有问题。
体二极管的恢复特性
SiC‐MOSFET的体二极管虽然是PN二极管，但是少数载流子寿命较短，所以基本上没有出现少数载流子的积聚效果，与SBD一样具有超快速恢复性能（几十ns）。因此Si‐MOSFET的体二极管与IGBT外置的FRD相比，其恢复损耗可以减少到IGBT外置的FRD的几分之一到几十分之一。
体二极管的恢复时间与SBD相同，是恒定的，不受正向输入电流If的影响（dI/dt恒定的情况下）。在逆变器应用中，即使只由MOSFET构成桥式电路，也能够实现非常小的恢复损耗，同时还预期可以减少因恢复电流而产生的噪音，达到降噪。
碳化硅驱动研究与设计
碳化硅MOSFET与传统的硅MOSFET在特性上有较大差别,相比于硅MOSFET,碳化硅MOSFET的寄生电容更小,对驱动电路的寄生参数更敏感。高压及超快的开关速度带来的超高di/dt、dv/dt,会通过系统的杂散电感、电容形成干扰,为了避免高速开关带来的串扰,需要在碳化硅MOSFET驱动上做一些必要的设计。
(1)满足碳化硅MOSFET高速开关的要求,使用驱动能力较强的驱动芯片;
(2)尽量减小驱动电路寄生电感的影响,在PCB布局时应注意器件摆放;
(3)为防止碳化硅受干扰导致的误开通,应采用负压关断;
(4)为保证碳化硅MOSFET的可靠关断,避免噪声干扰可能导致的误导通,应采用负压关断;(5)驱动电路带有源钳位保护、退饱和保护、故障信号反馈等功能。
驱动供电电路设计
驱动功率可以从门极电荷量QGate、开关频率fin以及驱动器实际输出电压摆幅ΔUGate计算得出,本设计的fin为30kHz,QGate为0.25μC,ΔUGate为20V,驱动器平均输出电流I为:
本设计供电芯片选择B公司的碳化硅MOSFET驱动器专用DC/DC电源,该电源模块输入电压15V,输出电压15V、-5V,驱动功率2W,符合本设计驱动供电需求。驱动供电电路如图2所示。
驱动电路设计
测试板采用1EDI60H12AH型驱动芯片,此芯片可提供10A的峰值驱动电流,但是驱动板没有有源钳位保护、退饱和保护、故障反馈功能。因此本设计采用A公司1ED020I12-B2型驱动芯片,此芯片驱动电流为±2A,带有退饱和保护、故障反馈、故障自锁功能。为满足碳化硅驱动电流的要求,需要使用外部放大器,本设计采用分立NPN/PNP放大晶体管组成互补输出电路。选用ZXTN2010Z型、ZXTP2012Z型晶体管,组成的互补输出电路持续驱动电流可达4.3A,尖峰电流脉冲15A,满足本次设计碳化硅驱动电流需求。驱动电路如图3所示。
退饱和保护电路设计1ED020I12-B2型驱动芯片带有退饱和保护功能,如图3所示,芯片U3引脚DESAT与电阻R99、二极管D11和D42、MOSFET的集电极-发射极形成回路,DESAT监测回路电压。
驱动芯片正向导通信号拉高时,DESAT启动监测功能,当回路电压超过9V(驱动芯片内比较器设置为9V)时,驱动芯片会启动退饱和保护,关闭MOSFET,同时把故障信号拉低并反馈给主控,需要将驱动芯片重新复位后才能进行下一次驱动。
有源钳位保护电路设计
当碳化硅MOSFET关断时,由于母线di/dt很高且换流回路中存在杂散电感,会导致母线出现电压尖峰,这可能会超过MOSFET的击穿电压并损坏FMFO11SFMERT12。W通1常M1利B1用1有型源碳化钳硅位模来块限的制漏该源电击压穿尖电峰压。为1200V,本设计选用SMCJ220A型TVS管、SMCJ160CA型TVS管和SMCJ160A型TVS管串联组合,有源钳位保护电路如图3所示。TVS管钳位电压1026~1135V,D33、电阻Z4和电容C31组成动态有源钳位,可以快速地开通MOSFET进行保护,动态有源钳位钳位电压848~938V。MOSFET关断时,当母线电压高于TVS管有源钳位电压后,钳位电流流经D36、D35、C31、D31、D26、Z5后分为两路,一路经过D21,一部分电流流向MOSFET栅极电容充电,一部分电流流向三极管T4。另一路经过D10,一部分电流流向芯片U3,一部分通过推挽上管放大后给MOSFET栅极电容充电,从而大大减缓MOSFET关断过程,直到MOSFET集电极电压低于有源钳位电压才截止。整个碳化硅驱动板设计如图4所示。
碳化硅驱动板测试
对于设计的碳化硅驱动板,需要进行双脉冲测试来评估驱动板功能和性能。双脉冲测试如图5所示,用电感L将碳化硅上管短路,上管驱动加-5V关断,下管为测试对象,驱动板驱动下管进行测试。
驱动测试：测试条件:母线电压610V、电感66.4nH、PWM单脉冲宽度5μs、脉冲频率30kHz。驱动测试结果如图6所示,黄线为碳化硅门级驱动信号,绿线为母线电压,红线为电流。单脉冲宽度5μs,电流96A,与理论值92A接近。
有源钳位保护测试将有源钳位电路中TVS管改成SMCJ160A型TVS管与SMCJ400CA型TVS管串联,理论触发有源钳位电压范围为625~694V。测试条件:母线电压610V、电感66μH、PWM单脉冲宽度5μs。有源钳位保护测试结果如图7所示,黄线为碳化硅门级驱动信号,绿线为母线电压,电压尖峰630V,门级驱动信号下降变缓,触发了有源钳位。
退饱和保护测试：测试条件:将图5中上管直接用导线短路,母线电压528V、PWM单脉冲宽度3μs。测试结果如图8所示,黄线为DESAT电压、绿线为碳化硅门级驱动信号,红线为母线电流。短路电流值320A,短路保护时间2.53μs,短路保护动作有效。
驱动设计总结：SiC MOSFET需要“专属”驱动，核心原因在于其优异的物理特性（高速、高压、高温）恰恰给驱动电路的设计带来了全新的、更严苛的挑战。使用为传统硅基IGBT设计的通用驱动器，将无法充分发挥SiC的性能，甚至可能导致器件损坏。
1.更高的开关速度要求驱动极低的延迟和更强的驱动能力
特性：SiC MOSFET的开关速度极快，开关损耗极低，这是其最大优势之一。
对驱动的挑战：
驱动电流需求大：要在极短的时间内对栅极电容进行快速充放电（dV/dt极高），需要驱动芯片能提供极大的瞬态峰值电流（常需数安培甚至更高）。普通驱动器的驱动能力不足，会导致开关速度变慢，损耗增加，SiC的优势大打折扣。
传播延迟与匹配：高速开关下，驱动信号的传播延迟必须极短且高度一致。多管并联时，微小的延迟差异会导致严重的电流不均。
2.更严苛的栅极电压要求（Vgs）
特性：SiC MOSFET的栅极氧化层更薄，栅极阈值电压（Vth）相对较低且分散（通常2-4V），而绝对最大栅极电压（Vgs_max）通常为-5/+19V或-4/+15V，安全裕量比硅MOSFET小得多。
对驱动的挑战：
精确的电压控制：必须提供非常稳定、精准的正负驱动电压。例如，常用+15~18V开启，-3~-5V关断。电压过高会永久击穿栅极；电压不足可能导致误导通或导通损耗增加。
负压关断至关重要：由于其低阈值电压和极高的dV/dt，开关过程中通过米勒电容（Cgd）耦合到栅极的电荷很容易导致“米勒误导通”。负压关断能提供更强的抗干扰能力，是SiC驱动几乎不可或缺的要求。
3.对寄生参数极度敏感
特性：因其开关速度极快（纳秒级），环路中微小的寄生电感（Ls）和寄生电容都会引发严重问题。
对驱动的挑战：
Layout要求极高：驱动回路必须极其紧凑（门极驱动环路过孔要少、路径要短），以最小化寄生电感。否则，寄生电感会与开关速度相互作用，产生巨大的电压尖峰和振荡。
有源米勒钳位功能：这是“专属”驱动芯片的关键功能之一。它能在关断状态时，主动将栅极电压钳位在低位（接近0V），防止因高dV/dt通过米勒电容引起的误导通，尤其在桥式电路中管承受高电压时非常有效。
4.更高的可靠性与保护需求
特性：SiC器件常工作在高频、高压、高温环境中。
对驱动的挑战：
快速、精准的保护：需要集成短路保护（DESAT），且响应时间必须极快（微秒级以内），因为SiC的热容小，承受短路时间远短于IGBT。保护电路本身的延迟和抗干扰设计（如blankingtime）必须优化。
故障状态管理：需要安全可靠的软关断或分级关断机制，避免在短路关断时因过高的di/dt引发致命的过电压。
高温稳定性：驱动芯片需在高温环境下（如125°C以上）保持性能稳定。
5.共模瞬态抗扰度（CMTI）要求极高
特性：在桥式拓扑中，上管的驱动参考地是浮动的，其电位会以极高的dV/dt（可达100kV/μs以上）跳变。
对驱动的挑战：
驱动芯片的CMTI必须极高（通常>100kV/μs，高级的达200kV/μs以上）。如果CMTI不足，快速变化的电压会通过芯片内部寄生电容耦合，导致高低侧信号串扰，可能造成误触发，甚至桥臂直通而炸机。
SiC“专属”驱动的核心特征与普通驱动相比，一个合格的SiC MOSFET专用驱动芯片/模块通常具备以下特点：
1、强大的瞬态输出电流能力（+4A/-6A或更高），对于多芯片并联的功率模块，可能需要10A-15A甚至更高。最终需通过双脉冲测试验证。。
2、精确稳定的双极性输出电压（如+18V/-3V）。
3、极低的传输延迟和高的延迟匹配度。
4、集成有源米勒钳位功能。
5、极高的共模瞬态抗扰度（CMTI）。
6、快速可靠的短路保护与软关断。
7、优秀的抗干扰与去饱和检测设计。
驱动电路原理图
SiC驱动layout
高压SiC MOSFET通过耐压能力、高效开关和高温稳定性，成为800V+电动车的“性能倍增器”，推动快充、长续航与轻量化发展。随着技术成熟和规模化，SiC将成为高压电动化的标配技术。
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