本指南旨在針對各類高功率主流應用，提供為 SiC MOSFET匹配柵極驅動器的專業(yè)指導，同時探索減少導通損耗與功率損耗的有效方法，以最大限度提升SiC器件在導通和關斷過程中的電壓與電流效率。

電源應用和拓撲

這些主流應用的功率范圍從 ~10kW 到 ~5MW 不等。 它們高度依賴電源開關和柵極驅動器來實現(xiàn)高效可靠的運行。

? 光伏

? 電動汽車 (EV) 充電

? HEV/EV 主驅逆變器

? 電機驅動

? HEV/EV DC -DC

? 車載充電器

這里是一些常見的應用和框圖元素。 它們都使用半橋將交流電輸送到電網(wǎng)。

?要點總結：選擇正確的柵極驅動器對于從所選開關獲得良好性能至關重要。匹配合適的柵極驅動器有助于確保：

? 開關高效

? 導通損耗和開關損耗低

? 通過保護功能確保安全

? 最小化 EMI

? 兼容汽車和工業(yè)標準

電源開關技術對比應用

下圖顯示了各種高功率主流應用優(yōu)先考慮使用的開關。紅色箭頭顯示， 許多功率超過 ~10kW 的應用正在從 IGBT 轉向更快的碳化硅 (SiC) 開關。 更快速的開關可帶來更高的功率密度。

常見應用：

? 功率因數(shù)校正 (PFC)

? 同步整流控制 (SRC)

? 車載充電器 (OBC)

? 開關模式電源 (SMPS)

?要點總結：碳化硅 (SiC) 和 GaN 技術是大多數(shù)主流高功率應用的優(yōu)選開關解決方案。

效率：能效提升，毫厘必爭

對于傳統(tǒng)的小功率產(chǎn)品 (~100 W)， 95% 的效率是可以接受的。對于使用數(shù)百千瓦或兆瓦的高功率應用而言 ， 管理功耗是一項更為復雜的設計工作， 因為效率的每千分之一都很重要。

下圖顯示， 總功率損耗是導通損耗與開關損耗之和。導通損耗取決于歐姆定律或 I2R， 其中 R = MOSFET 完全導通時的漏極-源極電阻(RDSON) ， I = 流過 MOSFET 的漏極電流。

開關損耗更為復雜， 包括:

? 柵極電荷 (QG) 、 總柵極電荷 (QG(TOT))

? 反向恢復電荷 (QRR)

? 輸入電容 (CISS)

? 柵極電阻 (RG)

? EON和 EOFF

?要點總結：柵極驅動器的電壓擺幅和偏置將直接影響系統(tǒng)效率 。 在高功率應用中 ， 效率以千分之一來衡量 ， 因此控制導通損耗和開關損耗非常重要。

開關類型：柵極驅動器的選擇

很多高功率主流應用都需要 MCU 來控制開關的導通和關斷。 由于工藝節(jié)點較小， 當代 MCU 的 I/O 總線限制為 1.8V 或 3.3V。 它們需要柵極驅動器來提供足夠的電壓， 從而實現(xiàn)開關的導通和關斷。

每種開關類型對柵極驅動電壓有不同的要求：

? 硅開關通常需要 0 到 10 V 的 10 V 擺幅。

? IGBT 開關通常需要 0V 到 15 V 的 15 V 擺幅

? SiC 開關通常需要 -3V 到 18 V 的 21 V 擺幅。

這是一階近似。 請務必檢查開關數(shù)據(jù)表 ， 了解開關導通和關斷的確切電壓要求 。

?要點總結：MCU 需要柵極驅動器來提供足夠的電壓， 從而實現(xiàn)開關的導通和關斷。 不同類型的開關有不同的電壓要求。

驅動 EliteSiC

Elite SiC 柵極驅動擺幅效率：

? 15 V 擺幅 (0V/15 V)， 這是硅開關的典型值， 可提供令人滿意的效率。

? 18 V 擺幅( 0V/18 V) ， 這是 IGBT 開關的典型值， 效率更高。 與 15V 擺幅相比， 導通損耗降低 25% ， EON損耗降低 25% ， EOFF 損耗降低 3% 。

? 21 V 擺幅 (~ 3V/18 V),這是 SiC 開關的典型值， 效率最高。 與 18V 擺幅相比， EON 損耗降低 3% ， EOFF 損耗降低 25%。

?要點總結：EliteSiC 開關可與使用不同電壓擺幅的柵極驅動器配合， 實現(xiàn)高效運行。

負偏壓和 E OFF 開關損耗

本部分詳細介紹了使用安森美 (onsemi)EliteSiC Gen 2 1200 V M3S 系列 22mΩ SiC MOSFET 時， 關斷期間的效率改進情況。

下圖展示了關斷期間的負電壓偏置如何提高效率。 負柵極偏置電壓位于 x 軸， 開關損耗( 單位： 微焦耳) 位于 y 軸。 通過關斷至 -3V 而不是 0V， 可以節(jié)省大約100μJ的 EOFF損耗。

負電壓偏置可防止開關在關斷時意外導通 。 關斷期間較高的柵極驅動電流可能與MOSFET 電容、 封裝和 PCB 走線電感相互作用， 導致關斷期間出現(xiàn)過多的振鈴現(xiàn)象。 這可能會意外觸發(fā)柵極 -源極電壓 (VGS) 閾值， 從而導致在關斷期間 SiC MOSFET 短暫導通。 如果發(fā)生振鈴， 則關斷至 -3V 可提供額外的 3V 裕量， 以避免觸發(fā) VGS閾值。

?要點總結：負電壓偏置通過防止開關在關斷期間導通來提高效率。