碳化硅mos管的优缺点,驱动电路设计分析-KIA MOS管

碳化硅mos管详解

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经广泛应用。

碳化硅器件有更耐高压，在开关频率、散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件。除了禁带宽度更宽，碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗，碳化硅器件相比于硅基器件的优势体现在：阻抗更低，可以缩小产品体积，提高转换效率；频率更高，碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍，而且效率不随着频率的升高而降低，可以降低能量损耗；能在更高的温度下运行，同时冷却系统可以做的更简单。

碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

碳化硅（SiC）MOS管作为一种新型功率器件，与传统的硅基功率器件相比，在某些特定条件下具有独特的优势，但也存在一定的不足。SiC MOS管具有温度高、频率高、效率高等优点，但在制造成本和可靠性方面仍存在挑战和改进空间。

优点：

高温特性优异：能够在高温下正常工作，具有更高的热稳定性。

高频特性好：由于电子迁移速度快，损耗小，在高频场合下具有更好的性能表现。

开关速度快：门电容小，可以实现更快的开关速度和更高的效率。

导通损耗小：导通电阻比硅MOSFET低得多，有利于减少导通损耗。

体积小、重量轻：采用了更小尺寸的芯片，可以提高功率器件的集成度。

缺点：

制造工艺难度大：需要采用更高难度的材料和工艺，导致制造成本较高。

技术有待成熟：碳化硅MOS管的商业化应用相对较新，技术和市场的认可度还需要进一步提高。

可靠性问题：由于材料的缺陷、器件的寿命等问题，其可靠性还有待提高。

碳化硅器件驱动电路设计建议

碳化硅器件的驱动选型与设计，成为发挥SiC MOSFET特性优势的关键环节。为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动芯片，需要考虑如下几个方面：

1. 驱动电平与驱动电流的要求

由于SiC MOSFET器件需要工作在高频开关场合，其面对的由于寄生参数所带来的影响更加显著。由于SiC MOSFET本身栅极开启电压较低，在实际系统中更容易因电路串扰发生误导通，因此通常建议使用栅极负压关断。

为了使SiC MOSFET在应用中更简易替代IGBT，各半导体厂家在SiC MOSFET设计驱动特性接近硅IGBT。常规碳化硅器件的驱动电压在+18V左右,在某些应用中可以使用15V栅极开通电压，更低的驱动电压+12V。而栅极关断电压最低为-5V左右。因此，理想的适用于SiC MOSFET的驱动芯片应该能够覆盖各种不一样的栅极开通和关断电压需求，至少需要驱动芯片的供电电压压差Vpos-Vneg可达到25v。

碳化硅mos管,优缺点,驱动电路

虽然SiC MOSFET具有较小的栅极电容，所需要的驱动功率相对于传统IGBT显著较小，但是驱动电流的大小与开关器件工作速度密切相关，为适应高频应用快速开通关断的需求，需要为SiC MOS选择具有较大峰值输出电流的驱动芯片，并且如果输出脉冲同时兼具足够快的上升和下降速度，则驱动效果更加理想，这就意味着要求驱动芯片的上升与下降时间参数都比较小。

2．满足较短死区时间设定的要求

在桥式电路结构中，死区时间的设定是影响系统可靠运行的一个关键因素。SiC MOSFET器件的开关速度较传统IGBT有了大幅提高，许多实际使用都希望能因此进一步提高器件的工作频率，从而提高系统功率密度。这也意味着系统设计中需要较小的死区时间设定与之匹配，同时，选择较短的死区时间，也可以保证逆变系统具有更高的输出电压质量。

死区时间的计算，除了要考虑开关器件本身的开通与关断时间，尤其是小电流下的开关时间之外，驱动芯片的传输延时也需要考量。尤其对于本身开关速度较快的开关器件，芯片的延时在死区设定的考量中所占的比重更大。另外，在隔离型驱动设计中，通常采用的是一拖一的驱动方式，因此，芯片与芯片之间的参数匹配差异，也需要在死区设定时一并考量。要满足较小死区时间的要求，选择驱动芯片时，需要相应的参考芯片本身传输延时时间参数，以及芯片对芯片的匹配延时。

3．芯片所带的保护功能

1）短路保护

SiC MOSFET与传统硅MOSFET在短路特性上有所差异，不同型号SiC MOSFET短路承受能力存在差异，但短路保护响应时间越短越好。借鉴IGBT退饱和检测方法，根据开关管输出特性，SiC MOSFET漏源极电压大小可反映电流变化。与硅IGBT相比，SiC MOSFET输出特性曲线的线性区及饱和区没有明显过渡，发生短路或过流时电流上升仍然很快，这就意味着保护电路需要更快的响应速度来进行保护。

针对SiC MOSFET的短路保护需求，需要选择检测速度快，响应时间短的驱动芯片进行保护电路设计。

此外，根据IGBT的设计经验，每次开通时，需求设定一段消隐时间来避免由于开通前期的Vce电压从高位下降所导致的DSAET误触发。消隐时间的需要，又对本只有3us的SiC MOSFET的短路保护电路设计提出更严苛的挑战，需要驱动芯片的DESAT相关参数具有更高的精度，以实现有效的保护设计。同时，也需要更优化的驱动电路的PCB设计，保证更小的环路寄生电感的影响。

2）有源米勒箝位

SiC MOSFET的栅极开启电压较低，加上其寄生电容小，它对驱动电路寄生参数的影响也更加敏感，更容易造成误触发，因此常推荐使用负压进行关断。但同时，由于SiC MOSFET所能承受的栅极负压范围较小，过大的负向电压尖峰可能击穿开关管，某些厂家提出推荐较高的负压关断，甚至0v关断。此种情况下，为保证器件在关断期间不因米勒效应发生误触发，可以使用带有有源米勒箝位功能的驱动芯片进行设计。

4. 芯片抗干扰性（CMTI）

配合SiC MOSFET使用的驱动芯片，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。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为CMTI。现行标准中，对磁隔离型驱动芯片抗扰性地测量方法，兼顾了电压上升延与下降延dv/dt，这与实际SiC MOSFE开通和关断都非常迅速的工作特性非常相似，因此CMTI参数可以作为衡量用于驱动SiC MOSFE的驱动芯片抗扰度的技术参考。

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