世平安森美SiC MOSFET驅動電路解析

一、前言

    自從第三代半導體問世以來，第三代半導體正日益成為當今科技領域的熱門話題，其在高速運算、能源效率和高頻通信等領域展現出了巨大的應用潛力。隨著這一新興技術的快速發展，我們迫切需要對其性能進行全面的評估和測試，以確保其在實際應用中能夠達到預期的效果。 本文旨在討論SiC MOSFET的特點及其對閘極Gate驅動電路的要求，並提供onsemi安森美半導體的SiC MOSFET驅動方案，期讓研發工程師能在設計電路多一種選擇。 

二、MOSFET 功率元件的損耗(Loss) 來源

         (圖一) 係說明以半橋Half Bridge (HB) 為拓樸並使用SiC MOS為功率元件的電路，主要功耗(Total Power Loss) 是由導通損失(Conduction Losses) 及切換損失(Switching Losses)所組成，其中MOSFET的導通損失與MOSFET 導通電阻Rds_on有關，切換損失是與MOSFET 的Qg , Qrr , Ciss , Rg , Eon , Eoff..等參數有關。

圖片來源：onsemi 網站 作者：Bob Card 

三、開關類型Switching Type：驅動閘極選擇Drive Gate Selections

       (圖二) 是針對不同功率元件如純Si MOS , IGBT & SiC MOS的最佳驅動電壓說明：

• 純Silicon MOS，Gate Driver 電壓由0V 到10V切換，可以得到最佳效率。
• IGBT 的Gate Driver 電壓由0V到15V 切換，可以得到最佳效率。
• SIC MOS 的Gate Driver 電壓由 -3V 到+18V 切換，可以得到最佳效率。
• 圖片來源：onsemi 網站 作者：Bob Card 

四、SiC MOS 驅動電壓對效率的影響

             (圖三) 係說明SiC MOS 在不同的Gate Drive 電壓條件下，在效率的表現：

• 當Gate Driver 電壓為0V到 +15V切換時，SiC MOS 是正常可以動作，但效率並非等同純Silicon MOS的Rds_on 表現， 通常會比同樣的Rds_on 純 Silicon MOS來得差。
• 當Gate Driver 電壓提高為0V到 +18V切換時，效率表現會比 0V到+15V時好，主要是導通損失Conduction Losses 會減少25%，EON Losses 亦會減少25%，EOFF Losses 減少3% 。
• 當Gate Driver 電壓由-3V到 +18V切換時，效率表現又會比 0V到+18V時好，主要是EOFF Losses 減少25%，這是來自於負的驅動電壓讓SiC MOS 關斷較完整所致。
• 圖片來源：onsemi 網站 作者：Bob Card 

五、負驅動電壓(Negative Bias)對EOFF 切換損失的影響

         (圖四)是以安森美NTH4L022N120M3S SiC MOSFET為例，說明提供-3V Vgs 電壓與0V Vgs時在EOFF Switching Losses 可以降低約100uJ的損耗。

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六、SiC MOSFET導通Turn ON說明：如(圖五)

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七、SiC MOSFET導通Turn OFF說明：如(圖六)

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八、驅動電流iG的計算(一階近似)

        (圖七)係說明驅動電流iG與QG(TOT) 還有開關速度之間的關係，是初階非精準計算，在選用Gate Drive IC及SiC MOS 時可以參考，以安森美NCP51561 Gate Driver IC 與NTH4L022N120M3S 的規格書為例，可以找到此參數之間的關聯。

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九、結論

        MOS的驅動電壓高低會影響性能表現，尤以現在最熱門的SiC 碳化矽MOS對驅動電壓的要求會比純矽Silicon MOS更高，未來的設計趨勢將會統一驅動電壓規格，這也意謂SiC MOS會漸漸取代傳統純矽MOS在高效率高功率電力轉換的應用市場。