SiC MOSFET驱动电压的分析及探讨
sic设计干货分享（一）：sic mosfet驱动电压的分析及探讨
随着制备技术的进步，在需求的不断拉动下，碳化硅（sic）器件与模块的成本逐年降低。相关产品的研发与应用也得到了极大的加速。尤其在新能源汽车，可再生能源及储能等应用领域的发展，更是不容小觑。
【导读】随着制备技术的进步，在需求的不断拉动下，碳化硅（sic）器件与模块的成本逐年降低。相关产品的研发与应用也得到了极大的加速。尤其在新能源汽车，可再生能源及储能等应用领域的发展，更是不容小觑。
富昌电子（future electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，并缩短产品设计周期。在第三代半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术积累和项目经验，落笔于sic相关设计的系列文章。希望以此给到大家一定的设计参考，并期待与您进一步的交流。
作为系列文章的第一部分，本文将先就sic mosfet的驱动电压做一定的分析及探讨。
常见的vgs与vgs(th)，以及对sic mosfet应用的影响
驱动电压vgs和栅极电压阈值vgs(th)关系到sic mosfet在应用过程中的可靠性，功率损耗(导通电阻)，以及驱动电路的兼容性等。这是sic mosfet非常关键的参数，在设计过程中需要重点考虑。在不同的设计中，设置不同的驱动电压会有更高的性价比。下图1 列出几个常见厂家部分sic mosfet的vgs与vgs(th)值作对比。
sic mosfet驱动电压设置探讨
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1.驱动电压高电平vgs_on是选择+12v、+15v、+18v还是+20v?
如图1所示，sic mosfet 驱动电压正向最大值在22v~25v左右，推荐的工作电压主要有+20v,+18v两种规格，具体应用需要参考不同sic mosfet型号的datasheet。由下图2所示，vgs超过15v时，无论是导通内阻还是导通电流逐渐趋于平缓 (各家sic mosfet的datasheet给出的参考标准不同，有的是rds(on)与vgs的曲线，有的是id与vgs的曲线)。当然驱动电压vgs越高，对应的rds(on)会越小，损耗也就越小。
富昌设计小建议：vgs设定vgs时不能超过datasheet给定的最大值，否则可能会造成sic mosfet永久损坏。
（1）对于推荐使用+18v或+20v 高电平驱动电压的sic mosfet
由图1所示，因为新一代sic mos工艺的提升，部分sic mosfet推荐高电平驱动电压为+18v。由下图2所示，工艺的提升，使得vgs从+18v到+20v的rds(on)变化不大，导通损耗差别不明显。
富昌设计小建议：最新一代sic mosfet建议使用+18v驱动电压。对降低驱动损耗以及减少vgs过冲损坏更加有益。
（2）对于+15v 高电平可否驱动sic mosfet
在正常情况下，datasheet上没有推荐，不建议使用。但是考虑到与15v驱动的si igbt 兼容，需要经过计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件以及考虑到设备整体损耗时，也可以使用。如下图2所示为vgs与rds(on)的关系，可知门极电压越高，rds(on)越小，如果在+15v下工作rds(on)会比标称值大。
富昌设计小建议：vgs设置为+15v时，sic mosfet损耗会比标称值大。
（3）对于+12v 高电平可否驱动sic mosfet
工作原理与+15v驱动电压同理，但是应用会更少，一般不推荐使用。但是一些特殊应用场景，例如在小功率高压辅助电源应用，可能需要兼容目前市面上的si mosfet控制ic，又需要使用1700v的sic mosfet，客户在综合考量后，如果接受rds(on)稍高的情况下，是可以使用的。
富昌设计小建议：vgs设置为+12v时，sic mosfet损耗会远远超过标称值，计算损耗时应参考vgs=+12v时的rdson。
2.驱动电压低电平vgs_off是选择0v、-3v还是-5v?
驱动电压低电平的选择要比高电平复杂的多，需要考虑到误开通。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，导致关断时δvgs超过阈值电压而造成的。因此误开通不仅和阈值电压vgs(th)有关，还与dv/dt产生的电压变化有关。
（1）对于-3v或-5v关断电压如何选择
首先参考sic mosfet的datasheet上推荐的关断电压。再考虑门极电压阈值裕度为
δvgs_th=vgs(th)-vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大时，dv/dt产生的门极电压变化为：
δvgs=vbus*crss/ciss。可知，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时，器件vgs_off安全裕度越大，误开通风险越小。但是vgs_off越小，引起vgs(th)漂移越大，导致导通损耗增加。
富昌设计小建议：综合考量计算δvgs_th 后，在实验过程中实测δvgs，可以进一步提升实际应用的稳定性和性能。
（2）对于0v关断电压探讨
虽然驱动电压vgs为0v时已经可以关断sic mosfet，但是由于dv/dt引起的δvgs，可能会导致sic mosfet误导通，导致设备损坏，故而不推荐使用。当然如果是设计的dv/dt非常小，crss/ciss比值足够大，并且充分考虑到δvgs对sic mosfet误导通的影响下，客户可以根据自己的设计而定。
富昌设计小建议：重点考虑dv/dt造成的δvgs以及环路等效电感，对误导通的影响，在设置vgs_off=0v时，才能让系统更加稳定。
vgs(th)漂移带来的影响，以及影响vgs(th)的因素
由于宽禁带半导体sic的固有特征，以及不同于si材料的半导体氧化层界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。为了理解这些差异，解释这些差异与材料本身特性的关系，评估其对应用、系统的影响，需要更多的研究及探索。
（1）vth漂移对应用的影响
长期来看，对于给定的vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加rds(on)。通常来说，增加 rds(on)会增加导通损耗，进而增加结温。在计算功率循环时，需要把这个增加的结温也考虑进去。
富昌设计小建议：如果开关损耗占比总损耗较高时，可以忽略vgs(th) 漂移导致的开通损耗。
（2）vth漂移对器件的基本功能不会被影响，主要有：
● 耐压能力不会受影响；
● 器件的可靠性等级，如抗宇宙射线能力，抵抗湿气的能力等不会受影响；
● vth漂移会对总的损耗有轻微影响；
（3）影响vth漂移的参数主要包括：
● 开关次数，包括开关频率与操作时间；
● 驱动电压，主要是vgs_off；
（4）以下参数对开关操作引起的vth漂移没有影响：
● 结温；
● 漏源电压，漏极电流；
● dv/dt, di/dt；
总结
本文主要针对驱动电压vgs和栅极电压阈值vgs(th)本身对sic mosfet在使用过程中的影响做出讨论。
在实际应用过程中，设置的vgs电压是对设备的可靠性，功率损耗以及驱动电路的兼容性等因素的综合考虑。理论计算只是设计参考的一部分，也可以考虑实际测量获得真实的数据来修正设计参数。实际测量得到的δvgs，对设置vgs_off会更有参考价值，并且会使得sic mosfet应用设计更加稳定且充分利用其性能。同时驱动电压vgs的设置还会受到驱动电阻ron与roff、驱动电流以及驱动回路等影响，此处不做展开探讨，富昌电子将在后续连载文章中逐步剖析，敬请期待。
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1.驱动电压高电平vgs_on是选择+12v、+15v、+18v还是+20v?
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（1）对于推荐使用+18v或+20v 高电平驱动电压的sic mosfet
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（2）对于+15v 高电平可否驱动sic mosfet
在正常情况下，datasheet上没有推荐，不建议使用。但是考虑到与15v驱动的si igbt 兼容，需要经过计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件以及考虑到设备整体损耗时，也可以使用。如下图2所示为vgs与rds(on)的关系，可知门极电压越高，rds(on)越小，如果在+15v下工作rds(on)会比标称值大。
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（3）对于+12v 高电平可否驱动sic mosfet
工作原理与+15v驱动电压同理，但是应用会更少，一般不推荐使用。但是一些特殊应用场景，例如在小功率高压辅助电源应用，可能需要兼容目前市面上的si mosfet控制ic，又需要使用1700v的sic mosfet，客户在综合考量后，如果接受rds(on)稍高的情况下，是可以使用的。
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（4）以下参数对开关操作引起的vth漂移没有影响：
● 结温；
● 漏源电压，漏极电流；
● dv/dt, di/dt；
总结
本文主要针对驱动电压vgs和栅极电压阈值vgs(th)本身对sic mosfet在使用过程中的影响做出讨论。
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