第三代电力电子半导体SiC MOSFET：聚焦高效驱动方案

相比传统的硅MOSFET，SiC MOSFET可实现在高压下的高频开关。新能源、电动汽车、工业自动化等领域，SiC MOSFET（碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管）凭借高频、高功率、低损耗等卓越性能，SiC MOSFET驱动方案备受关注。然而，SiC MOSFET的独特器件特性，也意味着它们对栅极驱动电路有特殊的要求。

本文将围绕SiC MOSFET的驱动方案展开了解，其中包括驱动过电流、过电压保护以及如何为SiC MOSFET选择合适的驱动芯片等。

SiC MOSFET驱动保护

1、过电压保护

a) 漏源极过电压保护

SiC MOSFET 在实际场景应用时，漏源极发生过电压，一般情况有以下两种：

第一种是在电动汽车、电力系统等应用场景。

当母线电压较高且不稳定时，电力电子变换装置主电路的电压就会超过了 SiC MOSFET 漏源极的额定电压，从而导致器件击穿损坏。

因此在实际场景应用时，为确保安全，需要考虑预留有一定的裕量。

第二种是发生在SiC MOSFET 关断时，漏极电流变化率 di/dt 会比较高，这种高速变化，会在电路回路寄生电感上产生电压，并与母线电压一起叠加在 SiC MOSFET 漏源极两端，这会导致 SiC MOSFET 漏源极电压产生较大的电压过冲，严重时会超过器件的安全电压，导致 SiC MOSFET 器件损坏。

因此，直流母线电压不稳定，以及漏源极电压过冲是产生漏源极电压过电压的主要因素。

为了保护器，以及变换器安全运行，目前在一些大功率场合，人们常常使用的漏源极过电压保护措施是：

1.针对直流电压不稳定：采取降低额定电压使用方法；

2.针对回路中杂散电感，与电流变化较大引起的过电压：常采用无源缓冲电路或者有源箝位电路进行保护。（图为RC 缓冲电路）

b）栅源极过电压保护

SiC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）栅源极过电压的主要原因可分为以下两点：

1. 驱动电路性能不稳定，导致输出电压超过了栅源极电压；

2. 当SiC MOSFET应用于桥式电路时，在某一开关管的开关瞬态下，另一开关管的栅源极电压，可能超过栅源极开启电压或负向安全电压。

为确保SiC MOSFET的正常运行，一般需将其栅源极电压控制在-10至25V的范围内。若电压超出这一范围，可能会导致SiC MOSFET遭受永久性损坏。

为避免此类情况，SiC MOSFET的驱动电路应配备栅源极保护措施：比如采用传统栅源极并联电容的方法，以确保栅源极电压保持在允许范围内。

2、过电流保护

过电流故障指的是 SiC MOSFET 因为控制信号与负载端异常，器件漏极电流大于额定值，使得器件损坏现象。

根据 SiC MOSFET 的过电流故障时，其电流值对额定电流的倍数。可以将过电流故障分为过载故障与短路故障。

a、过载故障

指 SiC MOSFET 在实际应用场景下，其所在电子装置的输出值大于负载额定值，而发生的故障，此时 SiC MOSFET 电流值约为额定电流的 1.4 倍左右。

当SiC MOSFET 在过载过流故障状况下，电流变化较小，且器件能承受时间相对较长。

b、短路故障

指的是负载发生短路或桥式电路结构中，上下管近乎同时导通时发生的故障，此时 SiC MOSFET 电流值，将会迅速地增大到+其额定电流值 9 倍左右。

在这种情况下，由于快速经过 器件的电流过大，SiC MOSFET承受时间相对较短，因此需要安全可靠且快速检测电流保护方案：

可以采用目前测量电流最简单分流电阻检测方法，在回路中串联一个电阻器，来检测电流，该方案较为简单且可在任意系统中自由选择使用。与此同时，为了最大限度减少对电路的影响，以及降低自身功率耗散，分流电阻阻抗值一般很低。

那么，如何为SiC MOSFET选择合适的驱动芯片？

需要考虑如下几个方面：

1.驱动电平与驱动电流的要求

SiC MOS器件选择时，应优先考虑具有较大峰值输出电流的驱动芯片。同时，若输出脉冲具备较快的上升和下降速度，则驱动效果更佳。这意味着，驱动芯片的上升和下降时间参数均需较小。

2.满足较短死区时间，保证逆变系统具有更高的输出电压质量；

3.芯片所带的保护功能：短路保护&有源米勒箝位

a、利用SiC MOSFET的短路耐受保护功能，提高系统可靠性；

b、使用带有 有源米勒箝位功能的驱动芯片，使其在关断期间不因米勒效应发生误触发；

4.芯片抗干扰性（CMTI），处于高频应用环境下，这要求芯片本身具有较高的抗干扰度。

当然，选择性能较优的SiC MOSFET也是高频驱动应用中的重要因素。微碧VBsemi新推出的SiC MOSFET产品，就具备非常低的开关损耗和传导损耗， 低损耗特性得以实现，得益于相对平稳的RDS（通态电阻）与温度之间的依赖关系。特别是，抑制寄生电容引发的门极误开通，增强了器件的稳健性，不仅对降低开关损耗有益，同时也提高了产品的易用性。