碳化硅mos管的優缺點,驅動電路設計分析-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。相比傳統的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的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，滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發光電子元器件，下游應用領域包括智能電網、新能源汽車、光伏風電、5G通信等，在功率器件領域，碳化硅二極管、MOSFET已經廣泛應用。

碳化硅器件有更耐高壓，在開關頻率、散熱能力和損耗等指標上也遠好于硅基器件。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、更高的熱導率和更低的導通阻抗，碳化硅器件相比于硅基器件的優勢體現在：阻抗更低，可以縮小產品體積，提高轉換效率；頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達硅基器件的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，同時冷卻系統可以做的更簡單。

碳化硅從材料到半導體功率器件會經歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設計、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，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經外延生長得到外延片。外延片經過光刻、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，與傳統的硅基功率器件相比，在某些特定條件下具有獨特的優勢，但也存在一定的不足。SiC MOS管具有溫度高、頻率高、效率高等優點，但在制造成本和可靠性方面仍存在挑戰和改進空間。

優點：

高溫特性優異：能夠在高溫下正常工作，具有更高的熱穩定性。

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。

開關速度快：門電容小，可以實現更快的開關速度和更高的效率。

導通損耗小：導通電阻比硅MOSFET低得多，有利于減少導通損耗。

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，導致制造成本較高。

技術有待成熟：碳化硅MOS管的商業化應用相對較新，技術和市場的認可度還需要進一步提高。

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。

碳化硅器件驅動電路設計建議

碳化硅器件的驅動選型與設計，成為發揮SiC MOSFET特性優勢的關鍵環節。為SiC MOSFET選擇合適的柵極驅動芯片，需要考慮如下幾個方面：

1. 驅動電平與驅動電流的要求

由于SiC MOSFET器件需要工作在高頻開關場合，其面對的由于寄生參數所帶來的影響更加顯著。由于SiC MOSFET本身柵極開啟電壓較低，在實際系統中更容易因電路串擾發生誤導通，因此通常建議使用柵極負壓關斷。

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

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

2．滿足較短死區時間設定的要求

在橋式電路結構中，死區時間的設定是影響系統可靠運行的一個關鍵因素。SiC MOSFET器件的開關速度較傳統IGBT有了大幅提高，許多實際使用都希望能因此進一步提高器件的工作頻率，從而提高系統功率密度。這也意味著系統設計中需要較小的死區時間設定與之匹配，同時，選擇較短的死區時間，也可以保證逆變系統具有更高的輸出電壓質量。

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

3．芯片所帶的保護功能

1）短路保護

SiC MOSFET與傳統硅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，但短路保護響應時間越短越好。借鑒IGBT退飽和檢測方法，根據開關管輸出特性，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及飽和區沒有明顯過渡，發生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護電路需要更快的響應速度來進行保護。

針對SiC MOSFET的短路保護需求，需要選擇檢測速度快，響應時間短的驅動芯片進行保護電路設計。

此外，根據IGBT的設計經驗，每次開通時，需求設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致的DSAET誤觸發。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護電路設計提出更嚴苛的挑戰，需要驅動芯片的DESAT相關參數具有更高的精度，以實現有效的保護設計。同時，也需要更優化的驅動電路的PCB設計，保證更小的環路寄生電感的影響。

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，它對驅動電路寄生參數的影響也更加敏感，更容易造成誤觸發，因此常推薦使用負壓進行關斷。但同時，由于SiC MOSFET所能承受的柵極負壓范圍較小，過大的負向電壓尖峰可能擊穿開關管，某些廠家提出推薦較高的負壓關斷，甚至0v關斷。此種情況下，為保證器件在關斷期間不因米勒效應發生誤觸發，可以使用帶有有源米勒箝位功能的驅動芯片進行設計。

4. 芯片抗干擾性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驅動芯片，處于高頻應用環境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。常用于評估驅動芯片抗擾度的參數為CMTI。現行標準中，對磁隔離型驅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開通和關斷都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI參數可以作為衡量用于驅動SiC MOSFE的驅動芯片抗擾度的技術參考。

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