技術

前 言

相較于硅MOSFET和硅IGBT，碳化硅MOSFET具有更快的開關速度、導通電阻更低、開啟電壓更低的特點，越來越廣泛應用于新能源汽車、工業(yè)、交通、醫(yī)療等領域。在橋式電路中，碳化硅MOSFET具有更快的開關速度會使得串擾行為更容易發(fā)生，也會更容易發(fā)生誤開通現(xiàn)象，所以如何有效可靠地驅動碳化硅MOSFET至關重要。我們發(fā)現(xiàn)，如果在驅動電路中使用米勒鉗位功能，可以有效地抑制碳化硅 MOSFET誤開通的風險，從而提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

為此基本半導體自主研發(fā)推出可支持米勒鉗位功能的雙通道隔離驅動芯片BTD25350，此驅動芯片專為碳化硅MOSFET門極驅動設計，能高效可靠地抑制碳化硅MOSFET的誤開通，該驅動芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車載OBC、服務器電源等領域中。

一. 驅動碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能的必要性分析

1.1 在實際應用中，特別是在橋式電路中，功率器件容易發(fā)生串擾行為，在串擾行為下，門極電壓會被抬高，一旦門極電壓超過功率器件的開啟電壓，將會使已關閉的功率器件出現(xiàn)誤開通現(xiàn)象，從而造成直流母線短路。為減少誤開通的風險，傳統(tǒng)的硅MOSFET和硅IGBT通常在驅動電路中采取構建負電壓關斷的方法，負壓絕對值越高，抑制誤開通的效果就越好。

如下圖所示硅IGBT的驅動電路中，一般硅IGBT的驅動正電壓是 15V，在關斷期間，串擾電流Igd（紅色線）會流經(jīng)Ciss, 在關斷電阻Roff和IGBT內(nèi)部柵極電阻Rg兩端，產(chǎn)生左負右正的電壓，這兩個電壓疊加在IGBT門極，此時IGBT會有誤開通的風險。為防止誤開通，需要采用負電壓關斷，負電壓通常在-8V左右，最高-10V。

1.2 相較于硅IGBT，碳化硅MOSFET 具有開關速度更快、開啟電壓更低、門極耐負電壓能力低等三個特性，使得碳化硅MOSFET更易觸發(fā)串擾行為，更加容易發(fā)生誤導通風險。

以下表格為硅IGBT/ MOSFET和碳化硅MOSFET的具體參數(shù)和性能數(shù)值對比。

硅MOSFET和IGBT的門極耐負壓極限可達-30V, 而碳化硅MOSFET只有-8V,   碳化硅MOSFET對驅動電壓負值的忍耐能力明顯低于硅 MOSFET和IGBT，使得碳化硅MOSFET在實際應用中驅動負電壓通常在-2～-4V的水平，使用負電壓進行關斷的幅度明顯少于硅MOSFET和IGBT。

碳化硅MOSFET的開啟電壓Vgs(th)是1.8V～2.7V，比硅MOSFET和IGBT的開啟電壓Vgs(th)要低一半，Vgs(th)越低，越容易誤開通，而且Vgs(th)會隨著TJ溫度上升而下降，所以在高溫時，Vgs(th)將變得更低，也更容易導致誤開通。

同時，碳化硅MOSFET的開關速度是硅MOSFET和IGBT的兩倍以上，而串擾電流Igd=Cgd?（dv/dt），dv/dt越大，Igd越大，越容易誤開通。

綜上所述，碳化硅MOSFET容易發(fā)生誤開通現(xiàn)象。為降低誤開通風險，在碳化硅MOSFET的驅動電路中加入米勒鉗位功能顯得尤為重要。如下圖所示，門極驅動芯片的米勒鉗位管腳直接連接到碳化硅MOSFET的門極，串擾電流Igd（如下圖紅線）會流經(jīng)Ciss→Rg→Q3再到負電源軌，形成了一條更低阻抗的門極電荷泄放回路。驅動芯片內(nèi)部比較器的翻轉電壓閾值為2V（相對芯片對地電壓），在碳化硅 MOSFET關斷期間，當門極電壓高于2V時，比較器輸出從低電平翻轉到高電平，MOSFET (Q3)被打開, 使得門極以更低阻抗拉到負電源軌，從而保證碳化硅MOSFET的負電壓被更有效關斷，達到抑制誤開通的效果。

二. 驅動碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能實際測試效果

2.1 在雙脈沖平臺進行測試，雙脈沖原理如下圖所示:

2.2 原理圖說明：

上管(B)作為開關管接收脈沖PWM信號，下管(DUT)處于關斷狀態(tài)，下管(DUT)靠體二極管續(xù)流負載電感Lload的電流。

在上管(B)開通狀態(tài)下，下管(DUT)發(fā)生串擾行為時，由于米勒現(xiàn)象的存在，門極電壓將會產(chǎn)生一定的波動。因此，我們可以通過觀察下管(DUT)門極電壓的波動大小來判斷米勒鉗位功能的作用。

如圖是驅動電路原理圖，驅動芯片型號為BTD5350MCWR，是一款帶米勒鉗位功能的驅動芯片，碳化硅MOSFET型號為B2M040120Z, 規(guī)格1200V/ 40mΩ，封裝TO-247-4。

2.3 雙脈沖測試平臺實測數(shù)據(jù)對比

2.3.1 測試條件：上管VGS=0V/ 18V；下管VGS=0V；Vbus=800V；ID=40A；

Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

有米勒鉗位功能,上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實測波形可知，當采用0V關斷下管且無米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高到7.3V，下管被誤開通，直流母線短路直通；

當采用0V關斷下管且有米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高2V，下管沒有被誤開通，米勒鉗位功能抑制效果明顯。

2.3.2 測試條件：

上管VGS=-4V/ 18V；

下管VGS=-4V；

Vbus=800V；ID=40A；Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實測波形可知，當采用-4V關斷下管且無米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高到2.8V，在開啟電壓附近，存在一定的誤開通風險，特別是在高溫時，MOSFET的開啟電壓會降低，將增加誤開通的風險；

當采用-4V關斷下管且有米勒鉗位時，下管門極電壓有被抬高，但下管仍是處于負電壓關斷狀態(tài)，米勒鉗位功能抑制效果明顯，MOSFET無誤開通的風險。

三. 帶米勒鉗位的門極驅動芯片產(chǎn)品推薦：BTD25350

BTD25350是基本半導體自主研發(fā)、采用電容隔離雙通道帶米勒鉗位，專為碳化硅MOSFET門極驅動而設計的一款驅動芯片。

產(chǎn)品特點

原邊帶使能禁用管腳DIS，死區(qū)時間設置管腳DT

共模抑制CMTI可達150kV/μs

副邊帶米勒鉗位功能

輸出峰值電流可達10A

電源全電壓高達33V

原副邊封裝爬電間距大于8.5mm，絕緣電壓可達5000Vrms

副邊兩驅動器爬電間距大于3mm，支持VDC=1850V母線工作電壓

采用SOW-18寬體封裝

副邊電源欠壓保護閾值為8V和11V

應用方向

充電樁中后級LLC用碳化硅MOSFET方案

光伏儲能BUCK-BOOST中碳化硅MOSFET方案

高頻APF用兩電平的三相全橋碳化硅MOSFET方案

空調壓縮機三相全橋碳化硅MOSFET方案

車載OBC后級LLC中的碳化硅MOSFET方案

服務器交流側圖騰柱PFC高頻臂可采用氮化鎵HEMT或碳化硅MOSFET方案

功能框圖

產(chǎn)品列表

結 論

綜上，在驅動碳化硅MOSFET時引入米勒鉗位功能非常必要，采用基本半導體自研的BTD25350MM驅動芯片能夠高效可靠地抑制誤開通，該驅動芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車載OBC、服務器電源等領域中。大家在使用碳化硅MOSFET進行方案設計時，為規(guī)避誤導通風險，建議選擇BTD25350驅動芯片系列產(chǎn)品。