SiC设计干货分享(1):SiC MOSFET分析和讨论驱动电压
随着制备技术的进步，在需求的不断驱动下，碳化硅（SiC）设备和模块的成本逐年降低。相关产品的研发和应用也大大加快。特别是在新能源汽车、可再生能源和储能等应用领域的发展中，不容低估。
随着制备技术的进步，在需求的不断驱动下，碳化硅（SiC）设备和模块的成本逐年降低。相关产品的研发和应用也大大加快。特别是在新能源汽车、可再生能源和储能等应用领域的发展中，不容低估。
富昌电子（Future Electronics）致力于为客户提供专业的技术服务，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SiC相关设计系列文章。希望能给大家一些设计参考，期待与大家进一步沟通。
作为系列文章的第一部分，本文将首先进行SiCMOSFET对驱动电压进行一定的分析和探讨。
常见的Vgs与Vgs(th)，以及对SiC MOSFET应用的影响
驱动电压Vgs和网极电压阈值Vgs(th)关系到SiC MOSFET可靠性、功率损耗(导电阻)、驱动电路兼容性等。这是SiC MOSFET在设计过程中需要考虑非常关键的参数。在不同的设计中，设置不同的驱动电压会更划算。下图1 列出了一些常见的制造商SiC MOSFET的Vgs与Vgs(th)值作对比。
SiCMOSFET讨论驱动电压设置
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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 正向驱动电压最大值为22V~25V推荐的工作电压主要包括 20V, 18V两种规格，具体应用需要参考不同SiC MOSFET型号的DATASHEET。如下图2所示，Vgs超过15V当导通内阻和导通电流逐渐平缓时 (各家SiC MOSFET的DATASHEET给出的参考标准不同，有的是Rds(on)与Vgs有的曲线Id与Vgs的曲线)。当然，驱动电压Vgs越高，对应Rds(on)损失越小，损失越小。
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)推荐使用 18V或 20V 高电平驱动电压SiC MOSFET
如图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 18V。如下图2所示，工艺的改进使Vgs从 18V到 20V的Rds(on)变化不大，导通损耗差异不明显。
富昌设计小建议：最新一代SiC MOSFET建议使用 18V驱动电压。减少驱动损耗和损耗Vgs过冲损坏更加有益。
（2）对于 15V 能否驱动高电平？SiC MOSFET
正常情况下，DATASHEET不推荐使用。但考虑到和15V驱动的SiIGBT兼容性，需要计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件，并考虑到设备的整体损耗。如下图2所示Vgs与Rds(on)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。
富昌设计建议：Vgs设置为 15V时，SiC MOSFET损失将大于标称值。
（3）对于 12V 能否驱动高电平？SiC MOSFET
工作原理与 15V驱动电压相同，但应用较少，一般不推荐。然而，一些特殊的应用场景，如小功率高压辅助电源应用，可能需要与当前市场相兼容Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，综合考虑后，如果客户接受Rds(on)稍微高一点就可以用了。
富昌设计建议：Vgs设置为 12V时，SIC MOSFET损失将远远超过标称值，应参考计算损失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比高电平复杂得多，需要考虑误开。误开是由高开启的 速变化的dv/dt，米勒电容器Cgd耦合到门极产生门极电压变化，导致关闭时ΔVgs超过阈值电压。因此，误开不仅仅是阈值电压Vgs(th)有关，还与dv/dt电压变化是相关的。
（1）对于-3V或-5V如何选择关闭电压
首先参考SiC MOSFET的DATASHEET推荐关闭电压。然后考虑门极电压阈值的裕度
ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大，dv/dt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门极电压变化ΔVgs时，器件Vgs_off安全裕度越大，误开风险越小。Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，导致导通损耗增加。
富昌设计建议：综合考虑计算ΔVgs_th 之后，在实验过程中进行实验ΔVgs，实际应用的稳定性和性能可以进一步提高。
（2）对于0V关闭电压讨论
尽管驱动电压Vgs为0V已经可以关闭了SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能会导致SiC MOSFET误导，造成设备损坏，不建议使用。当然，如果是设计的话dv/dt非常小，Crss/Ciss足够大的比值，并充分考虑ΔVgs对SiC MOSFET在误导的影响下，客户可以根据自己的设计来决定。
富昌设计小建议：重点考虑dv/dt造成的ΔVgs设置环路等效电感，对误导通的影响Vgs_off=0V只有这样，系统才能更稳定。
Vgs(th)漂移的影响和影响Vgs(th)的因素
宽禁带半导体SiC与Si材料的半导体氧化层界面特性会导致阈值电压变化和漂移。需要更多的研究和探索来解释这些差异与材料本身特性的关系，并评估它们对应用程序和系统的影响。
（1）Vth漂移对应用的影响
从长远来看，对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响是增加Rds(on)。一般来说，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，还需要考虑增加的结温。
富昌设计建议：如果开关损耗占总损耗的比例较高，则可以忽略Vgs(th) 漂移造成的开启损失。
（2）Vth主要包括：
● 耐压性不受影响；
● 该装置的可靠性等级，如抗宇宙射线能力、抗湿能力等，不受影响；
● Vth漂移对总损失有轻微影响；
（3）影响Vth漂移参数主要包括：
● 开关次数包括开关频率和操作时间；
● 驱动电压，主要是Vgs_off；
(4)开关操作引起以下参数Vth漂移无影响：
● 结温；
● 泄漏电压、泄漏电流；
● dv/dt, di/dt；
总结
本文主要针对驱动电压Vgs和网极电压阈值Vgs(th)本身对SiC MOSFET讨论使用过程中的影响。
设置在实际应用过程中Vgs电压是对设备可靠性、功率损耗和驱动电路兼容性的综合考虑。理论计算只是设计参考的一部分，设计参数也可以通过实际测量来修正。实际测量ΔVgs，对设置Vgs_off会更有参考价值，会让它更有参考价值SiC MOSFET应用设计更稳定，充分利用其性能。同时驱动电压Vgs驱动电阻也会设置Ron与Roff、这里不讨论驱动电流和驱动电路的影响。富昌电子将在后续连载文章中逐步分析。请期待。