用于SiC MOSFET的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器使用指南

SiC MOSFET 在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中正迅速普及，因?yàn)樗畛醯囊恍┛煽啃詥?wèn)題已得到解決，并且價(jià)位已達(dá)到非常有吸引力的水平。隨著市場(chǎng)上的器件越來(lái)越多，必須了解 SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異，以便用戶充分利用每種器件。本系列文章概述了安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關(guān)鍵特性及驅(qū)動(dòng)條件對(duì)它的影響，作為安森美提供的全方位寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)的一部分，還將提供 NCP51705（用于 SiC MOSFET 的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器）的使用指南。本文為第三部分，將重點(diǎn)介紹NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的使用指南。

NCP51705 是一種 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，具有高度的靈活性和集成性，使其與市場(chǎng)上的任何 SiC MOSFET 完全兼容。如圖 32 所示，NCP51705 頂層框圖包括通用柵極驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)的許多基本功能，包括：

1. 高達(dá) 28 V 的 V_DD 正電源電壓

2. 高峰值輸出電流（6 A 源極和 10 A 漏極）

3. 內(nèi)部 5 V 參考電壓可用于偏置 5 V、高達(dá) 20 mA 的低功率負(fù)載（數(shù)字隔離器、光耦合器、μC 等）

4. 分離信號(hào)，電源接地

5. 分離源極和漏極輸出引腳

6. 內(nèi)部熱關(guān)斷保護(hù)

7. 分離非反相和反相 TTL、PWM 輸入

圖 32：NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器框圖

此外，NCP51705 具備使用最少的外部組件設(shè)計(jì)可靠的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路所必需的幾個(gè)獨(dú)特特性（在 TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅(qū)動(dòng)部分的開頭列出）。NCP51705 獨(dú)特特性的優(yōu)點(diǎn)將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

過(guò)電流保護(hù) ? DESAT

NCP51705 DESAT 功能的實(shí)現(xiàn)只需使用兩個(gè)外部組件。如圖 33 所示，通過(guò) DESAT 引腳的 R₁ 和 D₁ 監(jiān)測(cè) SiC MOSFET, Q₁ 的漏極-源極電壓。

圖 33：NCP51705 DESAT 功能

在 Q₁ 關(guān)斷期間，漏極-源極端子可能出現(xiàn)幾百伏電壓。一旦 Q₁ 導(dǎo)通，漏極-源極電壓迅速下降，預(yù)計(jì)在不到幾百納秒的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生從高電壓到接近零電壓的轉(zhuǎn)變。在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間，DESAT 信號(hào)前沿被一個(gè) 500 納秒計(jì)時(shí)器消隱，該計(jì)時(shí)器由一個(gè) 5?Ω 的低阻抗下拉電阻組成。這使 V_DS 有足夠的時(shí)間下降，同時(shí)確保 DESAT 不會(huì)意外激活。500 納秒過(guò)后，DESAT 引腳被釋放，200?μA 電流源通過(guò) R₁、D₁和 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻提供恒定電流。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，如果 DESAT 引腳上升到 7.5 V 以上，則 DESAT 比較器輸出會(huì)升高，從而觸發(fā) RS 鎖存器的時(shí)鐘輸入。這種故障將逐個(gè)周期自動(dòng)終止 Q_NOT 輸出的后沿。SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)因此有效地減少了與去飽和故障時(shí)間成比例的時(shí)間量。

200?μA 電流源足以確保 D₁ 的可預(yù)測(cè)正向壓降，同時(shí)也使 R₁ 的壓降能夠在 SiC MOSFET 導(dǎo)通期間獨(dú)立于 V_DS。如果需要，可通過(guò)將 DESAT 引腳接地來(lái)禁用 DESAT 保護(hù)。相反，如果 DESAT 引腳處于浮動(dòng)狀態(tài)，或者 R₁ 無(wú)法打開，則流經(jīng) 20?kΩ 電阻器的 200?μA 電流源在 DESAT 比較器的非反相輸入端施加恒定的 4 V 電壓。這種情況基本上禁用了 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)。一些應(yīng)用可能傾向于使用電流檢測(cè)變壓器來(lái)檢測(cè)漏極電流，并從外部驅(qū)動(dòng) DESAT 引腳。在這種情況下，NCP51705 包括一個(gè) IC 金屬選件，用于移除 20?kΩ 電阻器，使 DESAT 引腳可以用作傳統(tǒng)的逐脈沖、過(guò)電流保護(hù)功能。

DESAT 引腳上的電壓 V_DESAT 由公式（1）確定為：

為 I_D 分配最大值（留出額外的設(shè)計(jì)裕度）后，選擇 R₁ 和 I_D，使 V_DESAT < 7.5 V。重新排列公式（1）并求解 R₁ 得出：

除了設(shè)置允許的最大 V_DESAT 電壓外，R₁ 還具有限制通過(guò) D₁ 結(jié)電容的瞬時(shí)電流的雙重目的。因?yàn)?SiC MOSFET 上的漏電壓 dV/dt 極高，如果 R₁ 的大小不合適，通過(guò) D₁ 的 p?n 結(jié)電容的電流可能會(huì)變得非常高。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇具有最低結(jié)電容的快速高壓二極管。R₁ 的典型值將接近 5 kΩ< R₁ < 10 kΩ 的范圍，但這會(huì)根據(jù)所選 SiC MOSFET 的 ID 和 R_DS 參數(shù)而發(fā)生變化。如果 R₁遠(yuǎn)小于 5 kΩ，進(jìn)入 DESAT 引腳的瞬時(shí)電流可能為數(shù)百毫安。相反，如果 R₁ 遠(yuǎn)大于 10 kΩ，則 RC 延遲為 R₁ 和 D₁結(jié)電容的乘積。延遲可為 100 μs 量級(jí)，從而導(dǎo)致應(yīng)對(duì) DESAT 故障的額外延遲時(shí)間。

充電泵 – V_EE (VEESET)

NCP51705 使用單一的正電源電壓運(yùn)行。從單一 V_DD 電源電壓運(yùn)行意味著必須從柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 產(chǎn)生負(fù) V_EE 電壓。使用開關(guān)電容充電泵是產(chǎn)生所需負(fù) V_EE 電壓軌的必然選擇。構(gòu)建充電泵有許多不同的選擇。主要挑戰(zhàn)是在瞬態(tài)條件下保持準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié)，以一定的頻率開關(guān)以減小電容，并最大限度地減少外部組件數(shù)量，從而降低成本并提高可靠性。

從圖 34 所示的充電泵功能框圖可以看出，只需三個(gè)外部電容即可建立負(fù) V_EE 電壓軌。充電泵功率級(jí)基本上由兩個(gè) PMOS 開關(guān)和兩個(gè) NMOS 開關(guān)組成，這些開關(guān)以橋式結(jié)構(gòu)排列。

圖 34：NCP51705 VEE 充電泵

如圖所示，外部飛跨電容 C_F 連接在橋的每個(gè)支路的中點(diǎn)之間。開關(guān)時(shí)序，每當(dāng)兩個(gè)上部 PMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，C_F 會(huì)出現(xiàn) V_DD。同樣，每當(dāng)兩個(gè)下部 NMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，C_F 會(huì)出現(xiàn) ?V_EE。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為 390 kHz，兩個(gè)上部 PMOS 器件與兩個(gè)下部 NMOS 器件異步切換。290 kHz 的 IC 金屬選件也可用于需要較低充電泵開關(guān)頻率的應(yīng)用。

V_EE 被調(diào)節(jié)到在 V_CH設(shè)置的電壓，該電壓由 VEESET 可編程的內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 電壓決定。VEESET 上的電壓會(huì)改變內(nèi)部 LDO 看到的增益 (G_LDO)。如果 VEESET 保持浮動(dòng)狀態(tài)（建議使用從 VEESET 到 SGND 的 100?pF 旁路電容），則 V_EE 設(shè)置為在 ?3 V 下調(diào)節(jié)。對(duì)于 ?5?V V_EE 電壓，VEESET 引腳應(yīng)直接連接到 V5V（引腳 23）。如果 VEESET 連接到 9 V 和 V_DD 之間的任何電壓，則 V_EE 被箝位并設(shè)置為以 ?8 V 的最小充電泵電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng) V_DD > 7.5 V 時(shí)，充電泵啟動(dòng)，V_EE 電壓軌包括一個(gè)內(nèi)部固定的 UVLO，設(shè)置為編程 VEE 值的 80%。由于 V_DD 和 V_EE 均由獨(dú)立的 UVLO 電路監(jiān)控，NCP51705 足夠智能，可以在兩個(gè)電壓軌都在特定 SiC MOSFET 負(fù)載的安全范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

或者，通過(guò)完全禁用充電泵，可以實(shí)現(xiàn) 0 V < OUT < V_DD 開關(guān)。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí)，充電泵被禁用。當(dāng)充電泵被禁用且 V_EE 直接與 PGND 相關(guān)聯(lián)時(shí)，輸出在 0 V < OUT < V_DD 之間切換。需要注意的是，每當(dāng) VEESET 與 SGND 相關(guān)聯(lián)時(shí)，V_EE 必須與 PGND 相關(guān)聯(lián)。在此工作模式期間，內(nèi)部 V_EE UVLO 功能也相應(yīng)禁用。

另一種可能的配置是禁用充電泵，但允許使用外部負(fù) V_EE 電壓軌。此選項(xiàng)允許 –V_EE < OUT < V_DD 切換，因?yàn)槌潆姳梦辞袚Q，所以在 IC 功耗方面略有節(jié)省。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí)，外部負(fù)電壓軌可以直接在 V_EE和 PGND 之間連接。請(qǐng)注意，由于 VEESET 為 0 V，內(nèi)部 V_EE UVLO 被禁用，因此 NCP51705 不知道 V_EE 電壓水平是否在預(yù)期范圍內(nèi)。

這種簡(jiǎn)單的 VEESET 調(diào)整能夠使用最少的外部組件實(shí)現(xiàn)最高程度的靈活性，同時(shí)滿足最廣泛的 SiC MOSFET 電壓要求。為了方便起見(jiàn)，表 2 中總結(jié)了 VEESET 的可配置性。

表 2：半導(dǎo)體材料屬性

可編程欠壓鎖定 ? UVSET

用于柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的 UVLO 對(duì)于保護(hù) MOSFET 至關(guān)重要，其工作原理是禁用輸出，直到 V_DD高于已知閾值。這不僅可以保護(hù)負(fù)載，而且可以向控制器驗(yàn)證施加的 V_DD電壓高于導(dǎo)通閾值。由于與 SiC MOSFET 相關(guān)的低 gm值，最佳 UVLO 導(dǎo)通閾值并非“一刀切”。如果允許驅(qū)動(dòng)器輸出在較低的 V_DD 下切換，可能對(duì)某個(gè) SiC MOSFET 不利，但根據(jù)散熱、冷卻和 V_DD 啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)另一個(gè) SiC MOSFET 而言可能是可接受的。最佳 UVLO 導(dǎo)通閾值也會(huì)根據(jù) V_DD 電壓軌的導(dǎo)出方式而發(fā)生變化。一些電源系統(tǒng)可能有一個(gè)專用的偏壓電源，而其他系統(tǒng)則可能依賴于類似于圖 36 的 V_DD 自舉技術(shù)。

NCP51705 通過(guò)可編程 UVLO 導(dǎo)通閾值解決了這一需求，該閾值可通過(guò) UVSET 和 SGND 之間的單一電阻器設(shè)置。如圖 35 所示，UVSET 引腳由 25?μA 電流源內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)增益為 6。

UVSET 電阻器 RUVSET 根據(jù)公式（3）中定義的所需 UVLO 導(dǎo)通電壓 V_ON 進(jìn)行選擇。

圖 35：NCP51705 UVSET 可編程 UVLO

V_ON 值通常由 SiC MOSFET 輸出特性曲線決定，如 TND6237/D 圖 1 中突出顯示的曲線。由于 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻顯著增加，即使 VGS 略有降低，允許的 UVLO 滯后必須很小。因此，NCP51705 具有固定的 1?V 滯后，因此關(guān)斷電壓 V_OFF 始終比設(shè)置的 V_ON 低 1 V。

對(duì)于包含專用偏壓電源的電源，假設(shè)在電源系統(tǒng)因故障恢復(fù)而啟動(dòng)軟啟動(dòng)或重啟之前，V_DD 高于所需 V_ON閾值。對(duì)于此類系統(tǒng)，需要具有 1?V UVLO 滯后，并且不會(huì)因啟動(dòng)注意事項(xiàng)而產(chǎn)生任何影響。然而，一些電源系統(tǒng)從高電壓開始，然后依賴于自舉繞組的 V_DD，如圖 36 所示。

圖 36：PWM 自舉啟動(dòng)示例

圖中顯示了具有高電壓 (HV) 啟動(dòng)能力以及 V_ON = 17 V 和 V_OFF= 9 V 的固定 UVLO 閾值的 PWM 控制器。施加 HV 時(shí)，當(dāng) HV = V_ON = 17 V，內(nèi)部通道開關(guān)打開，PWM 控制器從 C_VCC 汲取啟動(dòng)電流。在此期間，C_VCC 正在放電，Q₁必須開始切換，以在變壓器自舉繞組中建立電壓。這對(duì)可從 RUVSET 編程的允許 V_ON 施加了限制。UVSET 必須設(shè)置為小于 PWM 控制器的 UVLO V_ON 的值。圖 37 進(jìn)一步說(shuō)明了這些啟動(dòng)細(xì)節(jié)，其中 PWM 電壓閾值顯示為藍(lán)色，NCP51705 顯示為紅色。

圖 37：自舉啟動(dòng)時(shí)序

為了切換具有最高 V_GS 的 SiC MOSFET，需要將 V_ON設(shè)置為盡可能接近 PWM 控制器的 UVLO 導(dǎo)通。在這樣做時(shí)所進(jìn)行的權(quán)衡意味著在 Δt (t₂?t₁) 期間 ΔV = 1 V。C_VCC 的放電非常淺，因此需要較大的電容值。例如，假設(shè)啟動(dòng)電流為 1 mA，Δt = 3 ms 且 ΔV = 1 V，則需要用于 C_VCC 的 3?μF 電容。相反，如果 V_ON 設(shè)置為比最小自舉放電電壓 V_BOOT(MIN) 高 1 V，則允許 C_VCC 在更寬的 ΔV (17 V ? 11 V) 范圍內(nèi)放電，并且可以使用更小的電容值。給定相同的 1 mA，Δt = 3 ms 且允許 ΔV = 6 V，所需的 C_VCC 電容值降低至 500 nF；減少了 6 倍。然而，由于 SiC MOSFET 將在 V_GS = 11 V 的情況下切換，因此所產(chǎn)生的影響可能很大。顯然，在啟動(dòng)前將 NCP51705 偏置是首選方法。

數(shù)字同步和故障報(bào)告 – XEN

XEN 信號(hào)是 V_GS 反相的 5 V 數(shù)字表示。為了報(bào)告驅(qū)動(dòng)器“狀態(tài)”，PWM 輸入被認(rèn)為更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼇?lái)自 SiC 柵極電壓，傳播延遲大大減少。此信號(hào)可以在半橋電源拓?fù)渲杏米鞴收蠘?biāo)志和同步信號(hào)，為實(shí)施交叉?zhèn)鲗?dǎo)（重疊）保護(hù)打下基礎(chǔ)。每當(dāng) XEN 為高、V_GS為低時(shí)，則 SiC MOSFET 為關(guān)斷狀態(tài)。因此，如果 XEN 和 PWM 輸入信號(hào)均為高，則檢測(cè)到故障狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)字分配，以采取可能需要的任何預(yù)防措施。

封裝

WBG 半導(dǎo)體使高壓轉(zhuǎn)換器能夠在更接近低壓（低于 100 V）開關(guān)頻率的情況下工作。對(duì)于低壓轉(zhuǎn)換器而言，半導(dǎo)體封裝的發(fā)展對(duì)當(dāng)今開關(guān)性能的實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵作用。硅 MOSFET 封裝取得了進(jìn)步，例如雙面冷卻、夾焊、熱增強(qiáng)功率封裝和低電感、無(wú)引線封裝。同樣，柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 封裝也“瘦身”明顯。更短的管芯到引線、鍵合線連接，加上模制無(wú)引線封裝 (MLP)，對(duì)于最大限度地減少驅(qū)動(dòng)器側(cè)的寄生電感至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET (DrMOS) 共封裝是減少寄生電感、提高效率和縮小電路板面積的最新步驟。DrMOS 等改進(jìn)所涉及的電壓相當(dāng)?shù)?，因此可以?shí)現(xiàn)。

在高壓轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，爬電距離和電氣間隙等最小間距要求使得高性能 SiC MOSFET 依然采用低性能 TO?220 型和 TO?247 型封裝。這些封裝已經(jīng)十分完善，長(zhǎng)期以來(lái)一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它們非常適合工業(yè)應(yīng)用，堅(jiān)固且易于散熱，但其長(zhǎng)引線和內(nèi)部鍵合線導(dǎo)致寄生電感更高。SiC MOSFET 現(xiàn)在使這些寄生電感受到熱應(yīng)力、頻率和 dV/dt 速率的影響，以前在高壓硅晶體管中，這是從未設(shè)想到的?？梢哉f(shuō)，SiC 促進(jìn)了對(duì)高壓分立封裝的重新思考。

盡管分立組件并非如此，但 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器能夠充分利用與低壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器相同的封裝改進(jìn)。NCP5170 管芯封裝成 24 引腳、4 × 4 mm、熱增強(qiáng) MLP，如圖 38 所示。

圖 38：NCP51705 24 引腳、4 4 mm、MLP 封裝和引腳輸出

所有高電流電源引腳都翻倍，位于 IC 的右半部分。此外，每個(gè)翻倍引腳都通過(guò)內(nèi)部雙鍵合線連接到管芯，以實(shí)現(xiàn)盡可能最低的電感。所有低功耗數(shù)字信號(hào)僅為單引腳，位于 IC 的左半部分，為 PWM 或數(shù)字控制器提供了方便、直接的接口。

NCP51705 封裝的底部包括一個(gè)電絕緣、導(dǎo)熱、暴露的焊盤。該焊盤未連接到 PGND 或 SGND，但會(huì)通過(guò)熱通孔連接到隔離銅 PCB 焊盤進(jìn)行散熱。

如果散熱成為一個(gè)問(wèn)題，應(yīng)特別注意四個(gè)主要的功耗因素：

1. 與驅(qū)動(dòng)外部 SiC MOSFET 相關(guān)的 OUTSRC 和 OUTSNK 損耗。這些是與開關(guān)頻率成比例的柵極電荷相關(guān)損耗。降低開關(guān)頻率將降低功耗

2. V_DD和 V5V 之間的 LDO，能夠提供高達(dá) 20 mA 的電源。切勿加載超過(guò)數(shù)字隔離器或光耦合器偏壓的 V5V

3. V_DD 和 V_CH 之間的 LDO，這是內(nèi)部充電泵的一部分

4. 內(nèi)部充電泵電源開關(guān)，可禁用并用外部負(fù)偏壓替換，如充電泵–V_EE (VEESET) 一節(jié)所述

系統(tǒng)性能

對(duì)于 V_DD> 7 V，靜態(tài)電流線性緩升，直至超過(guò)設(shè)置的 UVLO 閾值。圖 39 所示的藍(lán)色跡線表示 V_DD 與 I_DD，無(wú)輸入（非開關(guān)），V_DD(UVLO)= 12 V，V5V 調(diào)節(jié)器無(wú)負(fù)載。對(duì)于 7 V < V_DD < 22 V，I_DD 測(cè)量為 0.6 mA < I_DD< 2.3 mA。當(dāng) V_DD 超過(guò) UVLO 閾值時(shí)，中間的平坦線表示 I_DD 電流增加約 ~1?mA。

紅色跡線表示在禁用內(nèi)部充電泵的同時(shí)向 IN+ 施加 100 kHz、50% 脈沖輸入的情況。使用 4.99 Ω + 2.2 nF 負(fù)載，這是典型 SiC MOSFET 的等效輸入。外部源極和漏極電阻為 3Ω。對(duì)于 12 V < V_DD < 22 V，I_DD 測(cè)量為 3.7 mA < I_DD < 5.5 mA。

圖 39：V_DD 與 I_DD，非開關(guān)與開關(guān)

圖 40 所示的啟動(dòng)波形顯示了 V_DD 之前出現(xiàn)的 IN +。V_DD 從 0 V 上升至 20 V，UVSET = 2 V（未顯示），相當(dāng)于 V_DD(UVLO) = 12 V。V_EE 被設(shè)置為在 ?5 V 調(diào)節(jié)，VEESET = V5V（未顯示），相當(dāng)于 V_EE(UVLO) = ?4 V。當(dāng) V_EE = ?4 V 時(shí)，輸出便會(huì)啟用，即使 V_DD > 12 V (V_DD= 15 V)。還要注意，在近 100 μs 的時(shí)間內(nèi)，OUT (V_GS) 小于 20 V。根據(jù) V_DD 啟動(dòng)的 dV/dt 速率，該時(shí)間可能更長(zhǎng)，因此，在編程 UVSET 時(shí)應(yīng)考慮 SiC MOSFET 的熱應(yīng)力。

圖 40：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH3?OUT，CH4?V_EE；V_DD(UVLO) = 12 V，V_EE(UVLO) = ?4 V

圖 41 中顯示了相同的啟動(dòng)波形，但 UVSET = 3 V（未顯示），相當(dāng)于 V_DD(UVLO) = 18 V。在這種情況下，當(dāng) V_DD = 18 V 時(shí)，OUT (V_GS) 便會(huì)啟用，即使 V_EE < ?4 V (V_EE= ?5 V)。哪個(gè) UVLO 占優(yōu)勢(shì)取決于 V_DD 與 V_EE 的 dV/dt 速率。關(guān)鍵點(diǎn)是 NCP51705 輸出被禁用，直到 V_DD 和 V_EE 都高于或低于各自的 UVLO 閾值。與圖 40 相比，請(qǐng)注意較高的 UVLO 設(shè)置對(duì) OUT (V_GS) 的影響，其中第一個(gè) OUT 脈沖出現(xiàn)在 20 V 和 ?5 V 附近。

圖 41：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH3?OUT，CH4?V_EE；V_DD(UVLO) = 18 V，V_EE(UVLO) = ?4 V

NCP51705 內(nèi)部充電泵有一個(gè)緩慢的控制回路，其效果可從 V_EE 啟動(dòng)期間觀察到的輕微下沖和 <400 μs 校正中看出，如圖 42 所示。超過(guò) 400 μs 時(shí)，V_EE 電壓穩(wěn)定至 ?3 V、?5 V 或 ?8 V 的調(diào)節(jié)設(shè)定值。

圖 42：V_EE 啟動(dòng)

關(guān)機(jī)操作平穩(wěn)，無(wú)毛刺。如圖 43 所示，OUT 停止切換并跟蹤卸載的 V_EE。V_EE 從 ?5 V 到 0 V 的放電時(shí)間約為 300 ms。

圖 43：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH3?OUT，CH4?V_EE；關(guān)機(jī)

圖 44 顯示了圖 43 中時(shí)間基準(zhǔn)的放大圖。UVSET 被配置為 3 V (V_DD(UVLO) = 18V)，內(nèi)部 V_DD UVLO 滯后在內(nèi)部固定為 1 V。當(dāng)輸出被禁用時(shí)，光標(biāo)位置顯示 V_DD = 17 V（18 V?1 V 滯后），即使 V_EE= ?4.5 V (VEESET = V5V)，并且根據(jù)其 ?4 V UVLO 仍處于活動(dòng)狀態(tài)。盡管 VDD 的衰減很慢，但在 UVLO_OFF 之后，也可以看到最后一個(gè)輸出脈沖的終止很干凈，沒(méi)有雜散脈沖或毛刺。

圖 44：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH3?OUT，CH4?V_EE；關(guān)機(jī)，V_{DD_UVLO(OFF)} = 17 V

導(dǎo)通傳播延遲的測(cè)量范圍從 90% IN+ 上升至 10% OUT 上升。盡管 SiC 驅(qū)動(dòng)器將在更高的 V_DD 下工作，但大多數(shù) MOSFET 傳播延遲被指定為切換到 V_DD = 12 V 的 1?nF 負(fù)載。

圖 45 顯示了在這些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的導(dǎo)通傳播延遲為 19 ns。

圖 45：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH4?OUT；上升沿傳播延遲

同樣，關(guān)斷傳播延遲的測(cè)量范圍從 10% IN+ 下降至 90% OUT 下降。圖 46 顯示了在相同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下測(cè)得的關(guān)斷傳播延遲為 22 ns。每個(gè)邊緣的輸出上升和下降時(shí)間約為 5 ns。

圖 46：CH1?IN+，CH2?V_DD，CH4?OUT；下降沿傳播延遲

DESAT 和 XEN 波形分別如圖 47 和圖 48 所示。由于測(cè)試僅用于 IC 驗(yàn)證（無(wú)功率級(jí)），因此將 100?pF 固定電容連接到 DESAT 引腳。圖 47 所示的波形表明 DESAT 低于 7.5 V 閾值，輸出在正常操作下切換。如果 IN+ 頻率降低（導(dǎo)通時(shí)間增加），則 100?pF DESAT 電容將可以充電至更高的電壓。如圖 48 所示，DESAT 電壓已達(dá)到 7.5?V 閾值。輸出后沿在輸入電壓切換為低之前終止。DESAT 小斜坡用于強(qiáng)調(diào)終止的 OUT 脈沖上沒(méi)有出現(xiàn)毛刺的事實(shí)。在開關(guān)電源應(yīng)用中，DESAT 引腳上可以使用小型 (<100 pF) 外部電容進(jìn)行高頻噪聲濾波。

XEN 信號(hào)與 OUT 信號(hào)相反。無(wú)論驅(qū)動(dòng)器是正常運(yùn)行還是面臨 DESAT 故障，XEN 信號(hào)都能準(zhǔn)確跟蹤任一情況下的反向 OUT 信號(hào)。

圖 47：CH1?IN+，CH2?OUT，CH3?DESAT，CH4?XEN；V_DESAT < 7.5 V

圖 48：CH1?IN+，CH2?OUT，CH3?DESAT，CH4?XEN；V_DESAT = 7.5 V

應(yīng)用

SiC MOSFET 可以適用于目前使用 IGBT 的各種應(yīng)用場(chǎng)景。一些較常見(jiàn)的用途包括高壓開關(guān)電源、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車充電器、電氣化鐵路運(yùn)輸、焊機(jī)、激光器、工業(yè)設(shè)備及其他注重高溫操作的環(huán)境。尤其值得一提的兩個(gè)領(lǐng)域是太陽(yáng)能逆變器和高壓數(shù)據(jù)中心。更高的直流電壓有利于減小線規(guī)厚度、接線盒、互連，并最終最大限度地減少傳導(dǎo)損耗，從而提高效率。目前，大多數(shù)大型光伏系統(tǒng)均采用 1?kV 直流總線，未來(lái)趨向于采用 1.5?kV 總線。同樣，使用 380?V 配電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心可以將直流電壓提升至 800 V。

NCP5170 的幾個(gè)基本應(yīng)用示例如下所示。

1.低壓側(cè)開關(guān)

圖 49 顯示了用于低壓側(cè)開關(guān)應(yīng)用的 NCP51705 的頂層示意圖。未顯示隔離，因此控制器和驅(qū)動(dòng)器之間為直連接口，但情況并非總是這樣。此示意圖旨在說(shuō)明，要提供全功能、可靠和穩(wěn)健的 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)電路，只需甚少的外部組件。還應(yīng)提及，盡管只需要單一 VDD 電壓軌，但其額定值應(yīng)至少為 50 V/ns，以防止TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅(qū)動(dòng)一節(jié)中的分立柵極驅(qū)動(dòng)說(shuō)明所述的雜散電流脈沖。如果 VDD 電壓軌由專用輔助電源提供，則應(yīng)特別注意設(shè)計(jì)具有超低一次-二次雜散電容的變壓器。

圖 49：低壓側(cè)開關(guān)示例

2.半橋概念

在半橋電源拓?fù)渲锌梢哉业?SiC MOSFET 更現(xiàn)實(shí)的用途，如圖 50 所示。高功率應(yīng)用傾向于在高壓側(cè)和低壓側(cè)都使用隔離驅(qū)動(dòng)器。這意味著需要兩個(gè)數(shù)字隔離器。根據(jù)跨越隔離邊界的 IO 的量，此類應(yīng)用的二次側(cè)控制可能存在很大爭(zhēng)議。在這個(gè)簡(jiǎn)化示例中，In+ 和 In-（啟用）是來(lái)自數(shù)字控制器的僅有的兩個(gè)信號(hào)，XEN 從 NCP51705 讀取。XEN 可以作為開發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序、交叉導(dǎo)通預(yù)防、死區(qū)時(shí)間調(diào)整和故障檢測(cè)的時(shí)序信息基礎(chǔ)。此外，溫度感測(cè)、熱管理（風(fēng)扇控制）和更高級(jí)別的故障響應(yīng)也可以由數(shù)字控制器完成。NCP51705 的 V5V 可用于為每個(gè)數(shù)字隔離器的二次側(cè)供電，如圖 50 所示。

圖 50：半橋概念

3.準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式

使用 NCP1340B1 控制器和 NCP51705 SiC 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一個(gè) 100?W 的 QR 反激式轉(zhuǎn)換器，可在 300 V < V_IN< 1 kV 的寬輸入范圍內(nèi)工作。此類轉(zhuǎn)換器常見(jiàn)于光伏和工業(yè)應(yīng)用，但當(dāng)基于 IGBT 功率級(jí)時(shí)，開關(guān)頻率在 65 kHz 的范圍內(nèi)。圖 51 所示的示意圖為 QR 反激式，在 V_IN = 300 V 時(shí)，頻率在 377 kHz < FS < 430 kHz 之間變化，負(fù)載從 100% 到 25% 不等。

圖 51：1000 V 至 24 V、100 W、400 kHz、QR 反激式

4.QR 反激式

對(duì)于 V_IN= 300 V，漏極-源極電壓波形是輸入電壓和反射輸出電壓之和。圖 52 所示的波形突出顯示了在全占空比操作 (V_IN= 300 V) 下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器，其中 720 V 出現(xiàn)在 SiC MOSFET 的漏極-源極上。V_DS 上升過(guò)渡約為 30 ns，相當(dāng)于 dV_DS/dt = 24 V/ns。NCP1340B1 QR 控制在 V_DS 下降沿實(shí)現(xiàn)軟諧振過(guò)渡和谷值開關(guān)（在最小 V_DS 諧振時(shí)“接近 ZVS”導(dǎo)通），這在藍(lán)色波形上清晰可見(jiàn)。由于 QR 反激式是僅限低壓側(cè)的應(yīng)用，并且 dV_DS/dt 下降沿為諧振，因此 SiC MOSFET 可能在 0 V < V_GS < 20 V 之間可靠切換。盡管如此，圖 51 所示的設(shè)計(jì)選擇在 ?5 V < V_GS < 20 V 之間切換，從而在增加?xùn)艠O電荷的輕微代價(jià)下，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的切換。

圖 52：CH3 = V_DS，CH4 = V_GS；V_IN = 300 V，V_OUT = 24 V，I_OUT = 4 A，F(xiàn)_S = 377 kHz

通用 NCP5170 客戶 EVB

通用評(píng)估板 (EVB) 旨在評(píng)估 NCP51705 在新設(shè)計(jì)或現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的性能。EVB 不包括功率級(jí)，不專用于任何特定拓?fù)?，由此可?jiàn)它是通用的。它可用于任何低壓側(cè)或高壓側(cè)電源開關(guān)應(yīng)用。對(duì)于橋接配置，可以在圖騰柱型驅(qū)動(dòng)配置中的每個(gè) SiC MOSFET 處使用這些 EVB 中的兩個(gè)或以上。EVB 可被視為隔離器 + 驅(qū)動(dòng)器 + TO?247 分立模塊。EVB 示意圖如圖 53 所示。

重點(diǎn)是提供一種超緊湊的設(shè)計(jì)，其中 TO?247 SiC MOSFET 的引線可以直接連接到印刷電路板 (PCB)。圖 54 同時(shí)顯示了相鄰 TO?247 封裝旁邊的 EVB 的頂視圖和底視圖進(jìn)行尺寸縮放。

圖 53：NCP5170 Mini EVB 示意圖

圖 54：NCP5170 Mini EVB – 頂視圖 (35 mm x 15 mm)

當(dāng)安裝到現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)中，并且 TO?247 前面有可用的 PCB 區(qū)域時(shí)，EVB 可以水平安裝到主電源板上，如圖 55 所示。如果可能，這應(yīng)該是首選的安裝方法。

圖 55：水平 EVB 安裝

如果主電源板上的大型組件妨礙水平安裝，則第二種選擇是垂直安裝 EVB，使其與 T0?247 封裝平行或略微傾斜。由于驅(qū)動(dòng)器與 TO?247 漏極接頭發(fā)出的高 dV/dt 非常接近，因此不太傾向于采用這種方式安裝。在任何一種情況下，TO?247 封裝的后接頭都保持暴露狀態(tài)，如有必要，可將其連接到散熱器上。有關(guān)安裝和操作詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn) EVB 用戶指南。

圖 56：垂直 EVB 安裝

EVB 最初配置為接受正輸入邏輯的 PWM 信號(hào)（連接到 GND1 的 IN?）。但如果需要，IN? 可輕松用作主動(dòng)啟用或重新配置為反相輸入邏輯。驅(qū)動(dòng)器輸出預(yù)配置為 0 V < V_OUT < V_DD 開關(guān)。所有連接和電阻器占位符都可用于為 ?3 V、?5 V 或 ?8 V V_EE開關(guān)重新配置 VEESET。最后，UVSET 選項(xiàng)被預(yù)編程為 17?V 導(dǎo)通操作，這被認(rèn)為是 SiC MOSFET 的安全級(jí)別。

參數(shù)性能

使用眾所周知的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)對(duì) MOSFET 和 IGBT 進(jìn)行參數(shù)化表征。雙脈沖測(cè)試方法基本會(huì)向被測(cè)器件 (DUT) 低壓側(cè) SiC MOSFET 的柵極-源極施加兩個(gè)脈沖。DUT 被插入到與圖 57 所示的鉗位電感開關(guān)電路相連的插座中。

圖 57：雙脈沖測(cè)試電路和波形

調(diào)整第一個(gè)脈沖的導(dǎo)通時(shí)間，以獲得所需的峰值漏極-源極電流。電感器很大，關(guān)斷時(shí)間足夠短，因此 I_L1 在關(guān)斷續(xù)流期間幾乎保持恒定。因此，第二個(gè)更短的脈沖以相同的漏極-源極電流幅度施加。該測(cè)試方法可精確控制 I_D 和 V_DS，這是建立動(dòng)態(tài)開關(guān)、參數(shù)性能以及對(duì)器件進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試所必需的。

雙脈沖測(cè)試方法也可用于表征柵極驅(qū)動(dòng)器性能。在SiC、DUT固定的情況下，當(dāng)U₁成為新的"DUT"時(shí)，可以對(duì)各種柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行表征。在圖53和圖54所示的NCP5170 EVB和圖58所示的簡(jiǎn)單光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)電路之間，對(duì)dV/dt和dI/dt開關(guān)性能進(jìn)行了比較。

圖 58：FOD8384 SiC 光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)電路

FOD8384 光耦合器驅(qū)動(dòng)器能夠承受高達(dá) 30 V 的 V_DD 偏壓，因此非常適合?5 V < V_GS< 20 V 開關(guān)。與圖 58 中的示例類似，F(xiàn)OD8384 驅(qū)動(dòng)器不是完整的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路。因此，由于兩種電路的特性沒(méi)有可比性，測(cè)試結(jié)果和比較僅限于動(dòng)態(tài)開關(guān)。

圖 59 和圖 60 分別顯示了兩種電路的上升和下降 V_GS 波形，以供比較。兩種電路都使用了 1 Ω 的源極和漏極柵極電阻。這些柵極驅(qū)動(dòng)邊緣被顯示為驅(qū)動(dòng) 1.2 kV、SiC MOSFET，V_DS 上顯示 600 V，流過(guò) I_D 的電流為 30 A。NCP51705、V_GS 上升沿在 ?5 V < V_GS < 10 V 時(shí)表現(xiàn)為純電阻，然后在 10 V < V_GS < 20 V 時(shí)為電容性 RC 充電。這顯示了 NCP51705、6 APK 的源電流與 FOD8384 的 1 APK 源電流的比較情況。NCP51705 的 V_GS 上升時(shí)間為 37.5 ns，而 FOD8384 開關(guān)在相同測(cè)試條件下則為 57.6 ns。同樣，NCP51705 的 V_GS 下降時(shí)間為 25.2 ns，而 FOD8384 則為 34.5 ns。

圖 59：V_GS 上升沿比較

圖 60：V_GS 下降沿比較

設(shè)計(jì)良好的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 包括低源極和漏極阻抗，使得 SiC MOSFET 漏極可以由柵極精確控制。其次，最大限度地降低驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗對(duì)于允許 SiC MOSFET 達(dá)到最高自然 dV/dt 至關(guān)重要。SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值與 R_LO + R_GATE + R_GI 成反比。當(dāng) R_LO 高于必要值時(shí)，SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值降低。這使得器件更容易受到 dV/dt 引起的導(dǎo)通的影響，并限制了通過(guò)選擇 R_GATE 可以實(shí)現(xiàn)的 dV_DS/dt 控制量。圖 61 所示的 NCP51705 V_DS 波形揭示了改變 RGATE 即可實(shí)現(xiàn)的高度 dV_DS/dt 控制。對(duì)于 R_GATE = 1 Ω，dV_DS/dt = 72 V/ns。將 R_GATE 從 1 Ω 增加到 15 Ω 會(huì)使 dV_DS/dt 從 72 V/ns 降低到 68 V/ns。這表明，如果需要，可以使用高得多的 R_GATE 來(lái)逐步降低 dV_DS/dt。

圖 61：NCP51705 V_DS 上升沿，可變柵極電阻

使用 FOD8384 光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器完成了相同的實(shí)驗(yàn)。從圖 62 所示的波形中發(fā)現(xiàn)，R_GATE 從 1 Ω 變成 15 Ω 導(dǎo)致 dV_DS/dt 速率變化超過(guò) 2:1。由于 FOD8384 驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗更高，dV_DS/dt 控制更受 R_GATE 較小變化的影響。此外，請(qǐng)注意，NCP51705 的 dV_DS/dt 上升相對(duì)而言更為線性。

圖 62：FOD8384 V_DS 上升沿，可變柵極電阻

圖 63 所示的波形比較了在 R_GATE = 1 Ω 的情況下，從 ?5 V < V_GS < 20 V 切換相同負(fù)載的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 V_DS。dV_DS/dt 速率在 72 V/ns 與 64 V/ns 時(shí)表現(xiàn)相當(dāng)。NCP51705 表現(xiàn)出更好的阻尼和更低振幅的振鈴。

圖 63：V_DS 上升沿比較，1 Ω 柵極電阻

NCP51705 實(shí)現(xiàn) dV_DS/dt 控制的另一種方式是通過(guò)改變 V_EE 的負(fù)振幅電平。這可以通過(guò)根據(jù)表 2 配置 VEESET 引腳或使用施加到 V_EE 的外部負(fù) DC 電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 64 中的波形顯示了當(dāng) V_EE 在 ?6 V < V_EE < 0 V 之間變化時(shí) dV_DS/dt 的變化。請(qǐng)注意在 0 V < V_GS < 20 V 時(shí)低 V_DS 下的強(qiáng)拐點(diǎn)和電容特性。這是因?yàn)?SiC MOSFET 的一些剩余柵極電荷沒(méi)有完全關(guān)斷，并突出了在關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng) V_GS 負(fù)極的重要性。

圖 64：NCP51705 V_DS 上升沿，可變 V_EE

圖 65 所示的漏極電流測(cè)量是使用 Pearson 電流探頭進(jìn)行的。NCP51705 電流在 dI_D/dt = 3.2 A/ns 時(shí)下降，但與 FOD8384 驅(qū)動(dòng)電路相比，表現(xiàn)出的振鈴較少。NCP51705 更快的 dI_D/dt 與圖 60 所示的 V_GS 下降沿波形密切相關(guān)。

圖 65：I_D 下降沿比較

雙脈沖測(cè)試方法是傳統(tǒng)上用于表征分立功率半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài)開關(guān)性能的測(cè)試程序。由于在導(dǎo)通和關(guān)斷期間可以精確控制施加的 V_DS 和初始 I_D，該測(cè)量技術(shù)已被證明是表征箝位電感開關(guān)應(yīng)用電路中柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 性能的可靠方法。