各行業(yè)所需高溫半導體解決方案的領導者CISSOID今日宣布,，公司將在7月17日 – 20日于北京舉行的“第二屆亞太碳化硅及相關材料國際會議”上,，發(fā)表題為“一種用于工業(yè)和汽車級碳化硅MOSFET功率模塊的高溫柵極驅(qū)動器”的論文,，并介紹公司在該領域的最新研究開發(fā)成果,。CISSOID首席技術(shù)官Pierre Delatte將于19日在該會議上發(fā)表該文章,。
當今，碳化硅（SiC）在汽車制造商的大力追捧下方興未艾,，碳化硅技術(shù)可以提供更高的能效和增加功率密度,；在工業(yè)應用方面，越來越多的人則被碳化硅技術(shù)的優(yōu)點所吸引,。為了充分發(fā)揮碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）在快速開關和低損耗方面的優(yōu)勢,，依然需要應對兩個主要的挑戰(zhàn)：一是實現(xiàn)精心優(yōu)化的低感抗負載（寄生感抗）功率模塊，二是采用強勁可靠且快速的柵極驅(qū)動器來高可靠和高能效地驅(qū)動碳化硅工作,。對于SiC MOSFET驅(qū)動器,，主要有以下幾個方面的要求：
面向高能效的快速開關能力（高dV/dt）
面向高功率密度的高開關頻率
高壓穩(wěn)健性
運行操作安全可靠
CISSOID在論文中提出了一種新的柵極驅(qū)動板，其額定溫度為125°C（Ta）,，它還針對采用半橋式SiC MOSFET的 62mm功率模塊進行了優(yōu)化,，如圖1所示。這款采用CISSOID HADES柵極驅(qū)動器芯片組的電路板的額定溫度為175°C（Tj）,，并為工業(yè)應用中使用的高密度功率轉(zhuǎn)換器設計提供了散熱設計余量,。基于相同的技術(shù),，目前正在為基于碳化硅的電動汽車電源逆變器開發(fā)三相柵極驅(qū)動板,。
SiC MOSFET支持快速開關和低開關損耗。通過減少外部柵極電阻從而增加了峰值柵極電流和dV/dt,，進一步降低了開關損耗,。因此，柵極驅(qū)動器必須能夠提供高峰值柵極電流以實現(xiàn)高功率效率,。為了限制dV/dt并避免模塊內(nèi)部擾動,，通常對碳化硅功率模塊進行內(nèi)部阻尼抑制。CAS300M12BM2模塊的內(nèi)部柵極電阻為3歐姆,。當驅(qū)動電壓為+20V/-5V時,，內(nèi)部柵極電阻將峰值柵極電流限制在8.3A。通常建議增加最小的外部柵極電阻,，例如2.5歐姆,，以避免任何干擾，且將峰值電流限制在4.5A,。當溫度為125°C且最大峰值柵極電流為10A時,，CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器可以以最大的dV/dt驅(qū)動1200V/300A 碳化硅功率模塊，從而使開關轉(zhuǎn)換損耗變得最小。
如果希望通過高dV/dt來減少開關損耗,，則會使柵極驅(qū)動器的設計變得更具挑戰(zhàn)性,。事實上，高dV/dt通過諸如電源變壓器和數(shù)字隔離器等隔離阻斷的寄生電容時,，會產(chǎn)生高共模電流來干擾柵極驅(qū)動器的運行,，并產(chǎn)生不必要的行為，如附加的開機或關機,。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器的設計旨在提供針對高dV/dt的魯棒性：為了實現(xiàn)低寄生電容而對電源變壓器進行了優(yōu)化,，以盡量降低共模電流。高壓側(cè)驅(qū)動器和包括電源變壓器和隔離器在內(nèi)的主功能側(cè)之間的總寄生電容小于10pF,。CMT-TIT8243保證在dV/dt>50kv/μs下正常工作,。此外CMTTIT8243柵極驅(qū)動器還具有用于輸入脈寬調(diào)制信號的RS-422差分接口，以提高功率級快速轉(zhuǎn)換期間的信號完整性,。
得益于低開關轉(zhuǎn)換損耗，碳化硅晶體管能夠在處于控制下的功率器件保持冷卻的同時,，實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器的高開關頻率,。這就縮減了濾波器和變壓器的尺寸，也大大減小了電源轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量,。為了保證高頻開關操作的安全,，柵極驅(qū)動器的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器必須能夠提供足夠的平均柵極電流，其計算方法是柵極總電荷乘以開關頻率,。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器可以為每個通道提供95mA的平均柵極電流,。在800V/300A下，1200 V/300A SiC MOSFET模塊的總柵極電荷約為1?C,，這意味著柵極驅(qū)動器可以在92kHz的開關頻率下工作,。實際上，最大開關頻率將受到功率模塊中開關損耗的限制,，而不是受到柵極驅(qū)動器的限制,。
圖1. 高溫高壓隔離柵驅(qū)動器用于 62mm SiC MOSFET電源模塊
由于工作時可承受的結(jié)溫度更高，SiC MOSFET技術(shù)也有助于實現(xiàn)高功率密度,。隨著轉(zhuǎn)換器內(nèi)部功率密度的增加,，環(huán)境溫度也隨之升高。人們在努力使得電源模塊降溫的時候,，他們卻往往忽視了柵極驅(qū)動器的冷卻,。在不降低最大平均柵極的電流時，CMT-TIT8243的柵極驅(qū)動器的環(huán)境工作溫度為125°C,，為高功率密度轉(zhuǎn)換器提供了更高的溫度余量,，從而簡化了其散熱設計和機械設計。當SiC MOSFET的導通電阻隨柵極至源極電壓的降低而降低時，具有穩(wěn)定和準確的正驅(qū)動電壓是非常重要的,。必須處理正驅(qū)動電壓的重要變化意味著在功率轉(zhuǎn)換器的散熱和溫度控制設計中必須要有更大的余量,。CMTTIT8243柵極驅(qū)動器的正驅(qū)動電壓精度高于5%，這可以簡化功率級的散熱和溫度控制設計,。
碳化硅技術(shù)將高于600伏的阻斷電壓的各種最佳優(yōu)勢帶給了用戶,。高dI/dt比在包括電源模塊、母線和直流母線電容等電源回路中的寄生電感上產(chǎn)生了電壓超調(diào),。柵極驅(qū)動器也面臨這些高電壓并必須保證高隔離,。CMT-TIT8243柵極驅(qū)動器具有高隔離電壓（在50赫茲/1分鐘時為3600 Vrms），可在惡劣的電壓環(huán)境下提供安全冗余,，并且還設計了高隔離距離（creepace>14 mm,，間隙>12 mm），以便在污染環(huán)境下安全運行：
最后但重要的是,，故障保護對于快速開關碳化硅柵極驅(qū)動器至關重要,，包括：
欠壓解鎖保護（UVLO）：監(jiān)控輸入主供電電壓和輔助輸出電壓，當?shù)陀诔绦蛟O定閾值時報告故障,。
反重疊：在高側(cè)和低側(cè)的脈寬調(diào)制（PWM）信號之間強制實現(xiàn)最小的不重疊,。
主動米勒鉗位（AMC）：在關斷后為負柵極電阻建立旁路，以保護功率場效應晶體管不受寄生性接通的影響,。
去飽和檢測：在接通電源及消隱時間后檢查場效應晶體管是否放電,，源電壓是否低于閾值。否則,，很可能意味著電源子系統(tǒng)發(fā)生了短路,，必須關閉有源晶體管。
軟關機：在出現(xiàn)故障的情況下,，功率晶體管進行緩慢關閉,，以將高dI/dt的超調(diào)影響降到最低。