碳化硅mos管的優(yōu)缺點,驅(qū)動電路設(shè)計分析-KIA MOS管

碳化硅mos管詳解

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

碳化硅器件有更耐高壓，在開關(guān)頻率、散熱能力和損耗等指標(biāo)上也遠(yuǎn)好于硅基器件。除了禁帶寬度更寬，碳化硅材料還具有更高的飽和電子遷移速度、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)通阻抗，碳化硅器件相比于硅基器件的優(yōu)勢體現(xiàn)在：阻抗更低，可以縮小產(chǎn)品體積，提高轉(zhuǎn)換效率；頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅基器件的10倍，而且效率不隨著頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；能在更高的溫度下運行，同時冷卻系統(tǒng)可以做的更簡單。

碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會經(jīng)歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經(jīng)外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

碳化硅（SiC）MOS管作為一種新型功率器件，與傳統(tǒng)的硅基功率器件相比，在某些特定條件下具有獨特的優(yōu)勢，但也存在一定的不足。SiC MOS管具有溫度高、頻率高、效率高等優(yōu)點，但在制造成本和可靠性方面仍存在挑戰(zhàn)和改進(jìn)空間。

優(yōu)點：

高溫特性優(yōu)異：能夠在高溫下正常工作，具有更高的熱穩(wěn)定性。

高頻特性好：由于電子遷移速度快，損耗小，在高頻場合下具有更好的性能表現(xiàn)。

開關(guān)速度快：門電容小，可以實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高的效率。

導(dǎo)通損耗小：導(dǎo)通電阻比硅MOSFET低得多，有利于減少導(dǎo)通損耗。

體積小、重量輕：采用了更小尺寸的芯片，可以提高功率器件的集成度。

缺點：

制造工藝難度大：需要采用更高難度的材料和工藝，導(dǎo)致制造成本較高。

技術(shù)有待成熟：碳化硅MOS管的商業(yè)化應(yīng)用相對較新，技術(shù)和市場的認(rèn)可度還需要進(jìn)一步提高。

可靠性問題：由于材料的缺陷、器件的壽命等問題，其可靠性還有待提高。

碳化硅器件驅(qū)動電路設(shè)計建議

碳化硅器件的驅(qū)動選型與設(shè)計，成為發(fā)揮SiC MOSFET特性優(yōu)勢的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅(qū)動芯片，需要考慮如下幾個方面：

1. 驅(qū)動電平與驅(qū)動電流的要求

由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關(guān)場合，其面對的由于寄生參數(shù)所帶來的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實際系統(tǒng)中更容易因電路串?dāng)_發(fā)生誤導(dǎo)通，因此通常建議使用柵極負(fù)壓關(guān)斷。

為了使SiC MOSFET在應(yīng)用中更簡易替代IGBT，各半導(dǎo)體廠家在SiC MOSFET設(shè)計驅(qū)動特性接近硅IGBT。常規(guī)碳化硅器件的驅(qū)動電壓在+18V左右,在某些應(yīng)用中可以使用15V柵極開通電壓，更低的驅(qū)動電壓+12V。而柵極關(guān)斷電壓最低為-5V左右。因此，理想的適用于SiC MOSFET的驅(qū)動芯片應(yīng)該能夠覆蓋各種不一樣的柵極開通和關(guān)斷電壓需求，至少需要驅(qū)動芯片的供電電壓壓差Vpos-Vneg可達(dá)到25v。

碳化硅mos管,優(yōu)缺點,驅(qū)動電路

雖然SiC MOSFET具有較小的柵極電容，所需要的驅(qū)動功率相對于傳統(tǒng)IGBT顯著較小，但是驅(qū)動電流的大小與開關(guān)器件工作速度密切相關(guān)，為適應(yīng)高頻應(yīng)用快速開通關(guān)斷的需求，需要為SiC MOS選擇具有較大峰值輸出電流的驅(qū)動芯片，并且如果輸出脈沖同時兼具足夠快的上升和下降速度，則驅(qū)動效果更加理想，這就意味著要求驅(qū)動芯片的上升與下降時間參數(shù)都比較小。

2．滿足較短死區(qū)時間設(shè)定的要求

在橋式電路結(jié)構(gòu)中，死區(qū)時間的設(shè)定是影響系統(tǒng)可靠運行的一個關(guān)鍵因素。SiC MOSFET器件的開關(guān)速度較傳統(tǒng)IGBT有了大幅提高，許多實際使用都希望能因此進(jìn)一步提高器件的工作頻率，從而提高系統(tǒng)功率密度。這也意味著系統(tǒng)設(shè)計中需要較小的死區(qū)時間設(shè)定與之匹配，同時，選擇較短的死區(qū)時間，也可以保證逆變系統(tǒng)具有更高的輸出電壓質(zhì)量。

死區(qū)時間的計算，除了要考慮開關(guān)器件本身的開通與關(guān)斷時間，尤其是小電流下的開關(guān)時間之外，驅(qū)動芯片的傳輸延時也需要考量。尤其對于本身開關(guān)速度較快的開關(guān)器件，芯片的延時在死區(qū)設(shè)定的考量中所占的比重更大。另外，在隔離型驅(qū)動設(shè)計中，通常采用的是一拖一的驅(qū)動方式，因此，芯片與芯片之間的參數(shù)匹配差異，也需要在死區(qū)設(shè)定時一并考量。要滿足較小死區(qū)時間的要求，選擇驅(qū)動芯片時，需要相應(yīng)的參考芯片本身傳輸延時時間參數(shù)，以及芯片對芯片的匹配延時。

3．芯片所帶的保護(hù)功能

1）短路保護(hù)

SiC MOSFET與傳統(tǒng)硅MOSFET在短路特性上有所差異，不同型號SiC MOSFET短路承受能力存在差異，但短路保護(hù)響應(yīng)時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據(jù)開關(guān)管輸出特性，SiC MOSFET漏源極電壓大小可反映電流變化。與硅IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒有明顯過渡，發(fā)生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來進(jìn)行保護(hù)。

針對SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測速度快，響應(yīng)時間短的驅(qū)動芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計。

此外，根據(jù)IGBT的設(shè)計經(jīng)驗，每次開通時，需求設(shè)定一段消隱時間來避免由于開通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計。同時，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動電路的PCB設(shè)計，保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。

2）有源米勒箝位

SiC MOSFET的柵極開啟電壓較低，加上其寄生電容小，它對驅(qū)動電路寄生參數(shù)的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發(fā)，因此常推薦使用負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷。但同時，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負(fù)壓范圍較小，過大的負(fù)向電壓尖峰可能擊穿開關(guān)管，某些廠家提出推薦較高的負(fù)壓關(guān)斷，甚至0v關(guān)斷。此種情況下，為保證器件在關(guān)斷期間不因米勒效應(yīng)發(fā)生誤觸發(fā)，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅(qū)動芯片進(jìn)行設(shè)計。

4. 芯片抗干擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅(qū)動芯片，處于高頻應(yīng)用環(huán)境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅(qū)動芯片抗擾度的參數(shù)為CMTI。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對磁隔離型驅(qū)動芯片抗擾性地測量方法，兼顧了電壓上升延與下降延dv/dt，這與實際SiC MOSFE開通和關(guān)斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數(shù)可以作為衡量用于驅(qū)動SiC MOSFE的驅(qū)動芯片抗擾度的技術(shù)參考。

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