如何为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动器

栅极驱动器用于驱动功率器件，因此它是解决功率问题的关键组成部分。要确保碳化硅的优化设计，其中一个方法就是预先谨慎选择栅极驱动器。同时，还需要仔细审视设计的关键要求，包括效率、密度，当然还有成本。因为根据应用要求，总会需要做出一些权衡折衷。

尽管碳化硅具有一些固有的优势，但其价格却仍然阻碍其广泛的应用。根据电源IC制造商的说法，除非设计人员考虑解决方案的总成本，否则，如果仅在器件层面比较碳化硅与硅这两者，那么前者无疑更加昂贵而难以证明其价值。

我们首先讨论下SiC相对于硅MOSFET或IGBT有哪些应用上的不同、优势以及权衡。SiC FET较高的击穿电压使其具有较低的导通电阻；其较高的饱和速度则可以实现更快的开关速度；其3倍高的带隙能量则可以实现更高的结温，从而改善冷却；其3倍高的热导率则表明其可以实现更高的功率密度(图1)。

业界一致认为，低压硅MOSFET和GaN适用于低于700V的电压范围，而SiC则更适合在高于700V的范围内发挥作用，二者在较小的功率范围有少许重叠。

碳化硅主要用于取代600V和3.3kW以上的硅IGBT类应用，而在大约11kW时更是如此，此时对SiC来说更像是一个甜蜜点，也即它具有高电压工作、低开关损耗和更高开关频率的功率级等优势，美国微芯科技(Microchip)分立及电源管理数字栅极驱动器(AgileSwitch)产品线总监Rob Weber指出。

这些特性使采用更小的滤波器和无源元件成为可能，而且它还降低了冷却需求。他表示：“我们谈论的是相对于IGBT的系统级优势，它最终将带来尺寸、成本和重量的降低。”

“从损耗的角度来看，例如，在30kHz的开关频率下，损耗最高可降低70%。这是由于碳化硅在击穿电场、电子饱和速度、带隙能量和热导率方面具有不同的特性。”Weber表示。

图1：SiC与Si和IGBT对比。(图片来源：Microchip)

工程师关注的基准是效率，这决定了改善的程度，但对碳化硅而言，越来越被关注到的是其优于IGBT的系统级优势，Weber表示。

“碳化硅可以在更高的开关频率下工作，这样，工程师就可以在最接近的功率级周围使用更小的外部元器件，例如滤波器，也即又大又重的磁性器件。再就是，由于开关损耗较低，碳化硅可以在更高的温度下工作或更不容易发热；还可以用风冷系统代替液冷系统，同时缩小散热器的尺寸。”他解释到。

他表示，这种元器件尺寸和重量的减少，可以带来更低的成本，也即碳化硅的优势远不止提高效率。

然而，就器件之间的价格比较而言，碳化硅仍然要比传统的硅基IGBT贵。“所有制造商的碳化硅模块成本都更高，但如果去审视整个系统的话，就会发现碳化硅系统的成本更低。”Weber指出。

在Weber分享的一个案例中，某客户采用SiC MOSFET后系统成本降低了6%。

一旦设计人员决定改用碳化硅，那么就还需要进行一些权衡。功率半导体制造商承认，碳化硅会带来一些“间接效应”，如噪声、EMI和过压等，这些问题必须予以解决。

“让器件更快地开关，也就可能会产生更多的噪声，这会带来EMI问题。”Weber表示，“此外，尽管SiC在更高的电压下表现更出色，但它在短路条件下远不如IGBT鲁棒，而且电压会发生变化，因此会发生过压情况，这就会导致一些设计人员采用额定电压更高的SiC器件，以便更好地控制过压和过热情况。”

这就是栅极驱动器的选择发挥重要作用的地方。碳化硅对电源电压、快速短路保护和高dv/dt抗扰度等特性都有独特的要求。