面对行业的热捧,怎样为应用优化和选择碳化硅驱动解决方案?

日期:2021-01-14

——访意法半导体AMG Analog部门Carolina SELVA
 
近年来,碳化硅(SiC)引发了行业的广泛关注,也确实在一些领先应用中使用了SiC,不过,为了充分发挥碳化硅的各种优势,还需要解决一些使用过程中遇到的难题,其中一个重要问题就是SiC器件的驱动。
功率系统设计(PSDC)采访了多家SiC半导体领先公司的技术管理和设计人员,他们根据各自公司的碳化硅器件特点给出了相应的解决办法,这次采访的意法半导体AMG Analog部门的Carolina SELVA。
 

 
PSDC您认为,SiC门极驱动的难点在哪里?您的公司是怎么做的?做到了什么程度?比如现在差不多是18V还是更低,有什么意义?

Carolina SELVA:SiC门极驱动有一些最低要求:
·第一,在整个工作温度范围内,dV/dt瞬态耐量为±50 V/ns,这是因为SiC MOSFET是为快速开关和高频开关专门设计的;
·第二,最小差分电源电压摆幅为22-28 V(取决于是否施加负关断门极电压)。SiC MOSFET需要更高的正门极驱动电压(+20 V),取决于应用是否需要负关断门极电压;
·第三,在整个工作温度范围内驱动ST SiC 1200 V 100mΩ功率管,驱动电流(灌电流和拉电流)至少达到2A,这个要求可保证开关损耗最小化。
ST的驱动器考虑到了所有这些问题,并解决了这些驱动设计难题,电压摆幅和驱动能力比普通IGBT驱动器更高。

PSDC:您能否用自己的器件举例说明怎样设计SiC的门极驱动?

Carolina SELVA:STGAP1AS就是一个广泛使用的SiC门极驱动器。它的驱动能力为5A,驱动器输出部分有轨对轨输出,并可以使用负门极驱动电压。此外,灌电流和拉电流是独立的输出,这样配置提高了驱动灵活性,并有助于降低外部组件的物料清单成本。
其内置米勒钳位保护功能可在半桥配置的功率电路开关时控制米勒电流。当SiC功率开关管是关断状态时,驱动器可以避免同一桥臂上的另一个开关管导通产生的CGD电容引起的感应导通现象。
在关断状态时,驱动器使用CLAMP引脚监视开关管的门极电压。当门极电压降至VCLAMPth阈压以下时,驱动器激活CLAMP开关,创建一条低阻抗路径,防止不必要的开关导通。在整个工作温度范围内,dV/dt瞬态耐量为±50 V/ns。

PSDC您能否从厂商的角度为用户设计SiC驱动提出一些建议和解决办法?

Carolina SELVA:SiC MOSFET的开关频率是同级IGBT开关管的五倍,可用于设计尺寸更紧凑、可靠性和能效更高的高效太阳能逆变器、高压电源和驱动器。
作为设计人员,在设计SiC应用时应该注意影响开关行为的一些主要因素:
·首先,关断能耗(Eoff)取决于Rg和VGS-off(负偏置门极电压)。排出更多门极电流可以降低Eoff,有两种方法抽取门极电流,一个方法是降低门极电阻(Rg),另一个方法是在关断期间用负偏置门极电压。
·其次,导通能耗(Eon)与Rg电阻有关。降低门极电阻还可以改善导通性能;负偏置门极电压对独立SiC MOSFET的导通能耗没有影响,仅稍微延长了实际导通时间;负门极驱动偏置电压可以明显改善半桥衍生拓扑的导通性能,因为开关Eon受米勒效应的影响。
·第三,米勒效应影响Eon和Err(反向恢复能耗)。为了避免米勒效应影响Eon和Err这种现象,必须遵守以下任意一个规则:
a)分开导通和关断路径,确保导通门极电阻和关断门极电阻的比率正确:始终保持在Rg-on> 1.5 * Rg-off;
b)使用-6V至-4V的负关断电压来关断MOSFET。
·第四,门极驱动电流要求。拉灌电流驱动能力不足会让SiC MOSFET功率管的优异开关性能打折扣;SiC MOSFET的能效在任何应用中都明显高于硅基解决方案,尤其是在高频应用中更加显著。因此,以有助于实现尽可能低的导通和开关损耗的方式驱动SiC MOSFET至关重要。

PSDC对用户来说,选择哪种SiC器件驱动的模式更好?您的企业是怎么做的?

Carolina SELVA:对用户来说,两种模式都行,有各自的优势。SiC供应商的门极驱动器充分利用他们的功率器件的知识经验,而设计公司的驱动器则专注于各种SiC产品,覆盖更广泛的功能需求。ST驱动器集成两种方法之长,因为不仅论是从SiC供应商角度看,还是从为SiC器件定制驱动器的角度看,ST门极驱动器都是优化的SiC驱动解决方案。
 

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