一、OBC DC/DC 中 SiC MOSFET 应用场景
1、OBC DC/DC 常见功率级架构
车载OBC 和高压直流变换器 DC/DC 组合为常见的动力总成组合形式，两者可以共享机械外壳和冷却系统，提高功率密度，优化成本。
OBC 通常分为 PFC 和 DC/DC 两级。 PFC 级为并网的 AC/DC 变换器，将输入的单相或三相交流电变换为直流母线电压。受电网基础设置分布的影响，在中国单相交流电桩更为普遍，而在国外其它区域如欧洲，三相交流充电在逐渐成为主流。对于单相交流输入的 PFC，其输出直流母线电压通常为 400-600V，而对于三相输入的 PFC，其输出直流母线电压通常为 700-1000V。由于单级 PFC 输出的直流电流有比较大的低频波动，所以典型的OBC系统在PFC级后还有会DC/DC变换器级，其输出给车载高压动力电池供电。对于常见的 400V或 800V 电池系统， OBC 输出电压通常为 230-450V 与 450-900V。
由于车载用电设备大部分为低压供电，所以动力域还需直流 DC/DC 变换器将高压动力电池的能量变化为低压，为 12V 负载系统及 12V 电池供电。
图1、OBC DC/DC 常见功率级架构
2、400V 电压平台 OBC DC/DC 系统中 SiC MOSFET 应用场景
目前新能源汽车动力域高压化是大势所趋，但受电池成本高昂等因素影响，目前 400V 依然是业界主流选择的动力电池电压等级。 下面将分别介绍在 400V 电压平台下，单相和三相 OBC 系统中 SiC MOSFET 的使用场景。
2.1、400V 单相 OBC 系统中 SiC MOSFET 应用场景
在 400V 单相交流输入的 OBC DC/DC 系统中，不论是 PFC 输出的直流母线电压还是 OBC 整体输出的电池电压，其波动范围都在 Si 硅基 MOSEFT 可以承受的电压范围之内。然而，随着对系统功率密度要求的逐步提升，传统二极管整流桥 Boost PFC 电路不能再满足效率和散热的要求，无桥PFC如图腾柱 PFC 在逐步成为业界主流。在图腾柱PFC拓扑中，可以利用碳化硅 SiC MOSFET 高频开关、反向恢复低和导通电阻小的优势，大大提升系统效率和功率密度，如图2所示。
图2、400V 系统单相图腾柱 PFC 拓扑中 SiC MOSFET 应用场景
图腾柱 PFC 通常由快桥臂和慢桥臂组成，快桥臂由 SiC MOSFET 构成，通常开关频率可高达 100kHz。慢桥臂开关频率为工频，即 45 - 65Hz。对于单向 OBC 而言，慢桥臂可使用二极管。对于双向 OBC，即需要高压电池反向向电网或负载馈电的场景下，慢桥臂需要使用 Si MOSFET 或 Si IGBT 以支持能量的反向传输。为了进一步减小纹波和前级滤波器的体积，也可采用两相快桥臂交错并联的方式。图 3 和图 4 以双向 OBC 为例，示意了 SiC MOSFET 在图腾柱和交错并联图腾柱电路中的用法。
图3、图腾柱 PFC SiC MOSFET 快管应用场景
图4、交错并联图腾柱 PFC SiC MOSFET 快管应用场景
2.2、400V三相OBC系统中SiC MOSFET应用场景
对于三相交流输入的 OBC 系统，其 PFC 输出的母线电压通常可能高达 900V。在这种情况下，考虑到高耐压与高效率的要求，通常选用 SiC MOSFET 而非 Si IGBT 作为开关管。OBC 的 PFC 及与 DCDC 级的原边侧都需使用 SiC MOSFET，如图 5 所示。图 6 展示了以 400V 电压平台，11kW 双向 OBC 为例的系统中 SiC MOSFET 的使用位置。
图5、400V 三相 OBC DC/DC 系统中 SiC MOSFET 应用场景
图6、400V 三相 11kW 双向 OBC 中 SiC MOSFET 应用场景
3、800V 电压平台OBC DC/DC 系统中 SiC MOSFET 应用场景
在相同充电电流情况下，电池电压从 400V 升级到 800V 后充电速率可以加倍。为了满足大功率快充，动力域也需要持续向高压化演进。当动力电池电压平台升级到 800V，OBC 及 DC/DC 电源产品都需要从 400V 等级提升到 800V 电压等级平台。此时不论是单相或三相系统，OBC 的两级和高压转低压 DC/DC 高压侧的开关管都需要使用更高耐压的 SiC MOSFET 器件以满足系统电压等级的要求，如图 7 所示。图 8 以 800V 电压平台下三相 OBC 及移相全桥 DC/DC 拓扑为例，说明了系统中 SiC MOSFET 的使用位置。
图7、800V OBC DC/DC SiC MOSFET 应用场景
图8、800V 三相 OBC 及移相全桥 DCDC SiC MOSFET 应用位置
二、SiC MOSFET 应用特点
1、SiC MOSFET 应用特点
如前文所述，SiC MOSFET在OBC DC/DC系统中的应用场景多为高电压和高开关速率的场合，因而在开关时的dVds/dt比普通Si MOSFET显著增加。以桥式电路为例，在上管快速开通、下管关断时，下管的Vds会升高，此时电荷通过米勒电容Cgd转移至下管门极，会造成门级电压出现一个小的尖峰。根据厂家和沟道技术的不同，SiC MOSFET的阈值电压一般为2V至5V。如果在这一过程中串扰造成的电压抬升幅度超过了SiC MOSFET开通的阈值电压，可能会造成下桥臂的误开通，从而导致上下桥臂直通，造成系统短路损坏等严重后果。
图9、高 dv/dt 造成 SiC MOSFET 误开通
2、SiC MOSFET 驱动选型及设计要点
2.1、驱动电流
驱动IC一般是通过拉电流(source current)和灌电流(sink current)来给栅极电容充放电,从而实现MOSFET或IGBT的开关的。为了实现SiC MOSFET 快速开关的特性,以达到更低的开关损耗和更高开关频率,通常会需要更大的驱动电流。
驱动芯片手册通常会标注其能承受的拉电流和灌电流的最大能力,下图10展示了 TI 双通道隔离驱动芯片UCC21530-Q1中对拉灌电流峰值的描述。一般来说这也对应着驱动芯片输出级MOSFET 的饱和电流。但是实际系统中最大的电流往往与供电电压、驱动电阻与驱动回路寄生参数等参数相关。图11展示了开关过程中驱动回路栅极电容充放电的路径。
图10、UCC21530-Q1 数据手册中拉灌电流峰值
图11、开关过程中栅极电容充放电路径
实际驱动过程中拉灌电流的峰值往往受限于驱动回路的阻抗，这既包括了驱动芯片内部的上下拉推挽级内阻ROL、ROH，也包括了外接的驱动电阻Rgate_ext和MOSFET的栅极内阻Rgate_in。
以UCC21530 - Q1为例，实际芯片开通和关断驱动电流的最大值为：
其中ROL，ROH和RNMOS的数据一般芯片数据手册中都会给出。
图12、UCC21530-Q1 数据手册中驱动内阻相关说明
MOSFET 的开通过程与对管 MOSFET 体二极管关断同时发生，所以开通速度有时受限于体二极管的反向恢复特性。另外过快开通容易造成串扰，引起对管的误导通，因而需要加以限制。而 MOSFET 的关断速度只取决于驱动电流本身。更小的关断电阻可以增大关断电流越大，提升关断速率，降低开关损耗。
如果希望通过外围电路实现更快的关断可以使用如下图 13 的电路接法。在开通过程中二极管阻断了流过 Rgl 的路径，外部栅极驱动电阻为 Rgh。在关断时，外部栅极驱动电阻为 Rgl 与 Rgh 并联，驱动电阻更小。
图13、通过二极管电路实现不同外部开通关断驱动电阻
2.2、负压驱动
为了规避开关过程中产生的桥臂直通风险，通常SiC MOSFET需要使用正负压驱动，即通过负压关断确保关断过程中即使出现小的电压尖峰，也不会超过阈值电压致使MOSFET开通，如下图14所示。
图14、SiC MOSFET 负压驱动防止误开通
2.3、米勒钳位
另一种常见的防止 SiC MOSFET 误开通的方式是搭建米勒钳位电路或使用具有米勒钳位功能的芯片，如 TI 的单通道隔离驱动芯片 UCC5350-Q1等。
如图 15 所示，米勒钳位功能主要通过采样栅极的电压并与阈值电压相比较，当栅极电压低于阈值电压后比较器反转，使得内置的米勒钳位 MOSFET 导通，形成一条低导通阻抗的路径。这条低阻抗路径可以将 SiC MOSFET 栅极有力关断，从而避免误导通。
图15、内置米勒钳位功能的驱动芯片防止 MOSFET 误开通
设计米勒钳位电路也需要注意驱动芯片需要尽量靠近开关管。如果布板不够优化，米勒钳位回路过大，可能会由于走线上寄生参数的影响，使得低阻抗路径不够有效，反而会增大栅极震荡。
2.4、欠压保护点 UVLO
SiC MOSFET 具有高功率密度的特性，一般会使用较高的驱动电压以使得 MOSFET 完全开通，从而得到最小的导通电阻，最低的导通损耗和最大的电流输送能力。驱动芯片的欠压保护点 UVLO 决定了开关管可以正常工作时最小的驱动电压 。如前所说，为了防止 SiC MOSFET 的误开通，SiC MOSFET 驱动一般会使用负电压供电。此时需要注意，对于大部分无单独 COM 脚的驱动芯片来说，芯片的 UVLO 通常参考的是芯片 VEE/VSS 脚。
以 SiC MOSFET C3M0016120K为例，其导通阈值典型值为 Vth=2.5V，以系统设置负压驱动为 -5V 为例。如果使用 8V UVLO 的驱动芯片，实际 SiC MOSFET 可工作的 Vgsmin 为 8V-5V=3V，仅略高于芯片的导通阈值，此时 SiC MOSFET 的导通阻抗由完全开通时的 16mΩ 上升至 Ω 级。可以看出 SiC MOSFET 驱动电压不足时，导通阻抗会迅速提高，可能造成系统短时间内迅速过热，对 MOSFET 长期可靠性和系统安全都有极为不利的影响。因而一般建议选择欠压保护点 UVLO 为 12V 的芯片，从而对 SiC MOSFET 驱动供电进行及时保护，减小此类风险。
三、SiC MOSFET 驱动供电方案
1、自举供电电路
如前文所述，SiC MOSFET 驱动芯片一般需要足够的正向驱动电压，以保证 MOSFET 完全开通，同时也需要负压进行有效关断，防止串扰。如果使用传统的自举通电的方式，由于自举供电电压建立需要时间，可能会存在前几个周期开通关断电压不足的限制。
2、基于双路低边驱动芯片的隔离供电方案
为了避免此类问题，可采用隔离供电的方式给SiC MOSFET驱动供电，常见的方式有全桥谐振电路等。业界主流方式为用双路低边驱动如TI的UCC27524-Q1的两路输出直接驱动变压器实现隔离供电，如下图16所示。
图16、使用双路低边驱动构建隔离供电电路
然而，使用双路低边驱动芯片如UCC27524-Q1驱动脉冲变压器，搭建隔离供电电路有以下几点局限性：
（1）首先，这种方式需要MCU或DSP提供驱动的输入信号，而辅源供电部分与主控芯片信号电路部分通常距离较远，走线较长。输入走线上寄生的电感和电阻容易在芯片输入管脚耦合噪声，超过芯片输入规格要求，需要增加额外的输入侧防护。
（2）另外，不同于驱动MOSFET结电容的容性负载，驱动芯片驱动变压器等感性负载时，输出承受负压和反向电流的能力有限，因而常常需要在驱动输出测进行有效保护。
需要注意的是，UCC27524 - Q1等芯片的输出负向耐压一般为二极管压降0.3V。这时如果选择普通PN二极管，其较大的正向导通压降(~0.7V) 常常使其不能在超出负向耐压限值时及时起到保护作用。通常建议选择正向导通压降更小的肖特基二极管进行负电压的有效钳位，如BAT54S等.
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