相較于硅MOSFET和硅IGBT，碳化硅MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度、導通電阻更低、開(kāi)啟電壓更低的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛應用于新能源汽車(chē)、工業(yè)、交通、醫療等領(lǐng)域。在橋式電路中，碳化硅MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度會(huì )使得串擾行為更容易發(fā)生，也會(huì )更容易發(fā)生誤開(kāi)通現象，所以如何有效可靠地驅動(dòng)碳化硅MOSFET至關(guān)重要。我們發(fā)現，如果在驅動(dòng)電路中使用米勒鉗位功能，可以有效地抑制碳化硅 MOSFET誤開(kāi)通的風(fēng)險，從而提高系統可靠性和穩定性。

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(dòng)芯片BTD25350，此驅動(dòng)芯片專(zhuān)為碳化硅MOSFET門(mén)極驅動(dòng)設計，能高效可靠地抑制碳化硅MOSFET的誤開(kāi)通，該驅動(dòng)芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車(chē)載OBC、服務(wù)器電源等領(lǐng)域中。

一. 驅動(dòng)碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能的必要性分析

1.1 在實(shí)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(mén)極電壓會(huì )被抬高，一旦門(mén)極電壓超過(guò)功率器件的開(kāi)啟電壓，將會(huì )使已關(guān)閉的功率器件出現誤開(kāi)通現象，從而造成直流母線(xiàn)短路。為減少誤開(kāi)通的風(fēng)險，傳統的硅MOSFET和硅IGBT通常在驅動(dòng)電路中采取構建負電壓關(guān)斷的方法，負壓絕對值越高，抑制誤開(kāi)通的效果就越好。

如下圖所示硅IGBT的驅動(dòng)電路中，一般硅IGBT的驅動(dòng)正電壓是+15V，在關(guān)斷期間，串擾電流Igd（紅色線(xiàn)）會(huì )流經(jīng)Ciss, 在關(guān)斷電阻Roff和IGBT內部柵極電阻Rg兩端，產(chǎn)生左負右正的電壓，這兩個(gè)電壓疊加在IGBT門(mén)極，此時(shí)IGBT會(huì )有誤開(kāi)通的風(fēng)險。為防止誤開(kāi)通，需要采用負電壓關(guān)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(kāi)關(guān)速度更快、開(kāi)啟電壓更低、門(mén)極耐負電壓能力低等三個(gè)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(fēng)險。

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

硅MOSFET和IGBT的門(mén)極耐負壓極限可達-30V, 而碳化硅MOSFET只有-8V,   碳化硅MOSFET對驅動(dòng)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(shí)際應用中驅動(dòng)負電壓通常在-2～-4V的水平，使用負電壓進(jìn)行關(guān)斷的幅度明顯少于硅MOSFET和IGBT。

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

同時(shí)，碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)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(kāi)通。

綜上所述，碳化硅MOSFET容易發(fā)生誤開(kāi)通現象。為降低誤開(kāi)通風(fēng)險，在碳化硅MOSFET的驅動(dòng)電路中加入米勒鉗位功能顯得尤為重要。如下圖所示，門(mén)極驅動(dòng)芯片的米勒鉗位管腳直接連接到碳化硅MOSFET的門(mén)極，串擾電流Igd（如下圖紅線(xiàn)）會(huì )流經(jīng)Ciss→Rg→Q3再到負電源軌，形成了一條更低阻抗的門(mén)極電荷泄放回路。驅動(dòng)芯片內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(guān)斷期間，當門(mén)極電壓高于2V時(shí)，比較器輸出從低電平翻轉到高電平，MOSFET (Q3)被打開(kāi), 使得門(mén)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(guān)斷，達到抑制誤開(kāi)通的效果。

二. 驅動(dòng)碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能實(shí)際測試效果

2.1 在雙脈沖平臺進(jìn)行測試，雙脈沖原理如下圖所示:

2.2 原理圖說(shuō)明：

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

在上管(B)開(kāi)通狀態(tài)下，下管(DUT)發(fā)生串擾行為時(shí)，由于米勒現象的存在，門(mén)極電壓將會(huì )產(chǎn)生一定的波動(dòng)。因此，我們可以通過(guò)觀(guān)察下管(DUT)門(mén)極電壓的波動(dòng)大小來(lái)判斷米勒鉗位功能的作用。

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

2.3 雙脈沖測試平臺實(shí)測數據對比

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(wú)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(shí)測波形可知，當采用0V關(guān)斷下管且無(wú)米勒鉗位時(shí)，下管門(mén)極電壓被抬高到7.3V，下管被誤開(kāi)通，直流母線(xiàn)短路直通；

當采用0V關(guān)斷下管且有米勒鉗位時(shí)，下管門(mén)極電壓被抬高2V，下管沒(méi)有被誤開(kāi)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(wú)米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實(shí)測波形可知，當采用-4V關(guān)斷下管且無(wú)米勒鉗位時(shí)，下管門(mén)極電壓被抬高到2.8V，在開(kāi)啟電壓附近，存在一定的誤開(kāi)通風(fēng)險，特別是在高溫時(shí)，MOSFET的開(kāi)啟電壓會(huì )降低，將增加誤開(kāi)通的風(fēng)險；

當采用-4V關(guān)斷下管且有米勒鉗位時(shí)，下管門(mén)極電壓有被抬高，但下管仍是處于負電壓關(guān)斷狀態(tài)，米勒鉗位功能抑制效果明顯，MOSFET無(wú)誤開(kāi)通的風(fēng)險。

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(zhuān)為碳化硅MOSFET門(mén)極驅動(dòng)而設計的一款驅動(dòng)芯片。

產(chǎn)品特點(diǎn)

原邊帶使能禁用管腳DIS，死區時(shí)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(dòng)器爬電間距大于3mm，支持VDC=1850V母線(xiàn)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(chē)載OBC后級LLC中的碳化硅MOSFET方案

服務(wù)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(dòng)碳化硅MOSFET時(shí)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(dòng)芯片能夠高效可靠地抑制誤開(kāi)通，該驅動(dòng)芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車(chē)載OBC、服務(wù)器電源等領(lǐng)域中。大家在使用碳化硅MOSFET進(jìn)行方案設計時(shí)，為規避誤導通風(fēng)險，建議選擇BTD25350驅動(dòng)芯片系列產(chǎn)品。