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1.常见的Vgs与Vgs(th)#xff0c;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#xff0c;功率损耗(导通电阻)#xff0c;以及驱…SiC MOSFET驱动电压的分析
tips:资料来自富昌电子及各个模块数据手册。
1.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。下图列出几个常见厂家部分SiC MOSFET的Vgs与Vgs(th)值作对比。 从上表可以发现 SiC MOSFET 的门极闽值电压小于硅基器件。另外有研究表明SiC MOSFET 的门极值电压与温度负相关温度升高时 SiC MOSFET 门极阈值电压下降明显相关实验甚至证明 200°C时 SiC MOSFET门极闽值电压跌落至 1.2V。因此驱动芯片应该能严格控制关断时 SiC MOSFET 的门极电压尖峰避免器件在关断时误导通。
驱动电压与Si-MOSFET的区别 SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比由于漂移层电阻低通道电阻高因此具有驱动电压即栅极源极间电压Vgs越高导通电阻越低的特性。下图表示SiC-MOSFET的导通电阻与Vgs的关系。
导通电阻从Vgs为20V左右开始变化下降逐渐减少接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驱动电压为Vgs1015V而SiC-MOSFET建议在Vgs18V前后驱动以充分获得低导通电阻。也就是说两者的区别之一是驱动电压要比Si-MOSFET高。与Si-MOSFET进行替换时还需要探讨栅极驱动器电路。
2.SiC MOSFET驱动电压应该怎么设置
驱动电压高电平Vgs_on是选择12V、15V、18V还是20V?
如上图所示SiC MOSFET 驱动电压正向最大值一般都在20V~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型号的数据手册。由下图所示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的数据手册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)。
驱动电压Vgs越高对应的Rds(on)会越小损耗也就越小。
建议设定Vgs时不能超过数据手册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
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。
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 在正常情况下数据手册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。 参考数据手册中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。
Vgs设置为15V时SiC MOSFET损耗会比标称值大。 当然具体参考数据手册也可以设置成15V。
3对于12V 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。需要综合考量如果接受Rds(on)稍高的情况下是可以使用的。 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数据手册中的Vgs12V时的Rdson。
3.驱动电压低电平Vgs_off是选择0V、-4V还是-5V如何确定
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-4V或-5V关断电压如何选择?
首先参考SiC MOSFET的数据手册上推荐的关断电压。再考虑门极电压阈值裕度为 ΔVgs_thVgs(th)-Vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大时dv/dt产生的门极电压变化为 ΔVgsVbus*Crss/Ciss。可知当门极电压阈值裕度ΔVgs_th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。
所以需要综合考量计算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关断电压的分析 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一般不推荐使用。
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误导通的影响下可以根据自己的设计而定。
用0V关断需要重点考虑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_off0V时才能让系统更加稳定。
4.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。
1Vth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。
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。
2Vth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
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。
