SiC Mosfet功率-SiC Mosfet管特性及應用驅動電源模塊 KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-03
本文簡要比較了下SiC Mosfet管和Si IGBT管的部分電氣性能參數并分析了這些電氣參數對電路設計的影響，并且根據SiC Mosfet管開關特性和高壓高頻的應用環境特點，推薦了金升陽可簡化設計隔離驅動電路的SIC驅動電源模塊。
以SiC為襯底的Mosfet管因為其輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單，具有靠多數載流子工作導電特性，沒有少數載流子導電工作所需要的存儲時間，因而開關速度快，工作頻率可到500kHz，甚至MHz以上。但是隨著其反向耐壓的提高，通態電阻也急劇上升，從而限制了其在高壓場合的應用。IGBT具有高反向耐壓和大電流特性，但是對驅動電路要求很嚴格，并且不適合工作在高頻場合，一般IGBT的工作頻率為20kHz以下。
SiC作為一種寬禁代半導體器件，具有飽和電子漂移速度高、電場擊穿強度高、介電常數低和熱導率高等特性。以SiC為襯底的Mosfet管具有阻斷電壓高、工作頻率高且耐高溫能力強，同時又具有通態電阻低和開關損耗小等特點，是高頻高壓場合功率密度提高和效率提高的應用趨勢。
目前市面上常見的SiC Mosfet電流均不大于50A，以常見的1200V/20A為例，列舉了SiC Mosfet管的部分電氣參數；同樣例舉了1200V/20A Si IGBT系列的電氣參數進行比較；
通過表格性能對比，可以看出，SiC Mosfet有三個方面的性能是明顯優于Si IGBT：
1.極其低的導通電阻RDS（ON），導致了極其優越的正向壓降和導通損耗，更能適應高溫環境下工作；
2.SiC Mosfet管具有Si Mosfet管的輸入特性，即相當低的柵極電荷，導致性能卓越的切換速率；
3. 寬禁帶寬度材料，具有相當低的漏電流，更能適應高電壓的環境應用；
Sic Mosfet具有與Si Mosfet管非常類似的開關特性，通過對Si Mosfet的特性研究，其驅動電路具有相同的特性：
1. 對于驅動電路來講，最重要的參數是門極電荷，Mosfet管的柵極輸入端相當于是一個容性網絡，因此器件在穩定導通時間或者關斷的截止時間并不需要驅動電流，但是在器件開關過程中，柵極的輸入電容需要充電和放電，此時柵極驅動電路必須提供足夠大的充放電脈沖電流。如果器件工作頻率越快，柵極電容的充放電時間要求越短，則要求輸入的柵極電容越小，驅動的脈沖電流越大才能滿足驅動要求；
2.柵極驅動電路必須合理選擇一定的驅動電壓，柵極的驅動電壓越高，則Mosfet的感應導電溝道越大，則導通電阻越小；但是柵極驅動電壓太大的話，很容易將柵極和漏極之間絕緣層擊穿，造成Mosfet管的永久失效；
3.為了增加開關管的速度，減少開關管的關斷時間是有必要的；且為了提高Mosfet管在關斷狀態下的工作可靠性，將驅動電路設計成在關斷狀態的時候，在柵極加上反向偏置電壓，以快速釋放柵極輸入電容的電荷，減少了關斷時間，使得驅動電路更可靠地關斷Mosfet；但是反向的驅動電壓會增加電路損耗，反向偏置電壓最好不要超過-6V；
4.當驅動對象是全橋或者半橋電路的功率Mosfet，或者是為了提高控制電路的抗干擾能力，此時將驅動電路設計成隔離驅動電路；實現電隔離的方式可以通過磁耦合變壓器和光耦合器件；但是不管采用磁耦合變壓器還是光耦合器件，都要保證耦合器件的延遲時間與耦合分布電容；采用的隔離電源也必須具有高隔離、快速響應時間與低耦合電容的特性。
從驅動電路的特性來看，要求驅動電源具有以下特性：
1.為了適應高頻率的使用要求，要求驅動電源具有瞬時的驅動大功率特性，即要求具有大的容性負載能力；
2.為了適應高電壓應用使用要求，要求驅動電源具有高耐壓能力并且具有超低的隔離電容，來減少高壓總線部分對低壓控制側的干擾；
3.隔離驅動電源必須具有合適的驅動電壓，即要求電源具有正負輸出電壓，并且正負輸出電壓不是對稱輸出特性；
針對SiC隔離驅動電路的特點，推出了SiC Mosfet驅動專用電源QA01C。該電源電氣性能參數全部達到SiC Mosfet驅動電路的要求，如：
不對稱驅動電壓，輸出電壓 +20/-4VDC 輸出電流+100/-100mA
大容性負載能力，容性負載為220uF
高隔離電壓，達到3500VAC
極低的隔離電容，低至3.5pF
此驅動電源還滿足了其他性能參數特點，具體功能如下：
效率高達83%
工作溫度范圍: -40℃ ~ +105℃
可持續短路保護
QA01C具有完整的驅動電路推薦，通過SiC驅動專用電源得到不對稱的正向驅動電壓20V，負向偏置關斷電壓-4V；為了防止驅動電壓對柵極造成損壞，增加D2和D3來吸收尖峰電壓是很有必要的。SiC驅動器采用一般驅動芯片即可；為了實現控制信號與主功率回路的隔離，需要采取隔離措施，推薦采用常見的光耦隔離方案。采用的光耦必須具有高共模抑制比（30KV/us）和比隔離電源大的隔離耐壓并且具有極小的延遲時間來適應SiC Mosfet管的高頻率工作特性。
下圖是各功率晶體管的結構、耐壓、導通電阻、開關速度的比較。
使用的工藝技術不同結構也不同，因而電氣特征也不同。補充說明一下，DMOS是平面型的MOSFET，是常見的結構。Si的功率MOSFET，因其高耐壓且可降低導通電阻，近年來超級結（Super Junction）結構的MOSFET（以下簡稱“SJ-MOSFET”）應用越來越廣泛。關于SiC-MOSFET，這里給出了DMOS結構，不過目前ROHM已經開始量產特性更優異的溝槽式結構的SiC-MOSFET。具體情況計劃后續進行介紹。
在特征方面，Si-DMOS存在導通電阻方面的課題，如前所述通過采用SJ-MOSFET結構來改善導通電阻。IGBT在導通電阻和耐壓方面表現優異，但存在開關速度方面的課題。SiC-DMOS在耐壓、導通電阻、開關速度方面表現都很優異，而且在高溫條件下的工作也表現良好，可以說是具有極大優勢的開關元件。
這張圖是各晶體管標準化的導通電阻和耐壓圖表。從圖中可以看出，理論上SiC-DMOS的耐壓能力更高，可制作低導通電阻的晶體管。目前SiC-DMOS的特性現狀是用橢圓圍起來的范圍。通過未來的發展，性能有望進一步提升。
六、總結
通過對SiC Mosfet管與Si IGBT管相關電氣參數進行比較，我們發現SiC Mosfet將成為高壓高頻場合下的應用趨勢。根據對SiC Mosfet管的開關特性的研究，推薦了能簡化其隔離設計的專用電源QA01C，同時也推薦了基于SiC Mosfet的驅動電路。
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