SiC MOSFET閘極驅動電壓的挑選指南

於大功率應用中，常常使用功率電晶體作為驅動電路的切換開關元件，選擇適當的閘極電壓可大程度的減小開關耗損，因此閘極電壓範圍是重要的因素之一。本文闡述如何設計功率電晶體的閘極驅動電壓，以實現較佳性能和可靠性至關重要。

 

緒論

近年來電動車產業大放異彩，至今以來已有上千萬台電動車行駛於路上，可見近年來電動車銷售量大幅成長。在電動汽車應用中，許多電子設備都需要閘極驅動器，例如牽引逆變器、車載充電器。為了有效地驅動功率電晶體，選擇適當的閘極電壓能減少驅動電壓瞬間變高的危險性，以及有效地降低開關損耗，也就是指具備較短的開關時間。

圖1是常見的降壓電源轉換器架構。系統上兩個功率電晶體Q1和Q2分別為高端驅動開關和低端驅動開關。兩個驅動器的正/負驅動電壓由電源轉換器決定。

 

在終端需求大幅度增加的情況下，許多電子產品設計都使用碳化矽（SiC）寬能隙半導體材料作為功率電晶體，比傳統的矽金屬氧化物半導體場效電晶體，還可提供更少的開關損耗、更高的切換頻率工作溫度。因此，如何決定SiC MOSFET的閘極驅動電壓是甚為重要的議題。

 

如何選擇閘極驅動電壓

欲有效率地開啟與關閉功率電晶體，必須針對各種類型功率電晶體選擇合適的驅動電壓，表1為各種功率電晶體的驅動電壓。

表1.常見的開關驅動電壓

Type	Si-MOSFET	IGBT	SiC	GaN
Turn on Voltage	10V to 20V	15V	15V to 20V	5V to 6V
Turn off Voltage	0V to -2V	-5V to -15V	-2V to -5V	0V to -3V
Common Drive Voltage	+12V/0V	15V/-9V	15V/-3V	5V/0V
	-	15V/-5V	15V/-5V	6V/-3V

 

實際應用下，為了完全開啟功率電晶體，閘極驅動的正電壓要足夠高，而且要注意不得超過閘極額定電壓；另外，往往使用負電壓來關閉功率電晶體以快速進入截止區。轉換器的參考電位會因為切換開關時PCB的寄生電感與雜散電容的雜訊受到影響，而造成電路誤動作。

設計時需注意正/負驅動電壓不得超過閘極-源極的最大額定電壓，一旦超過元件可承受限制，可能會發生劣化和損壞等可靠性方面的問題。舉例來說常見SiC元件的正驅動電壓15V就不能應用在GaN元件；常見IGBT元件的負驅動電壓-15V也不能應用在GaN元件。

常見的一個問題是切換開關耗損。當切換開關時，由於功率電晶體會在短時間內同時處於高電壓與高電流的狀態，過程中會持續對寄生電容充放電。若持續處於此狀態的時間過長，導致耗損更多能量，為了降低開關損耗，盡量減少此階段的持續時間，如圖2所示。

 

 

另一個問題是內部閘極電阻，一旦功率電晶體的導通電阻越高，系統內部會產生更多的熱量，代表電源轉換效率越低。該如何減少導通電阻呢?，以SiC MOSFET製程特性而言，閘極－源極電壓差越高則導通電阻越低；溫度越低則導通電阻越低，如圖3表示。

 

以下粗淺地探討如何決定SiC MOSFET驅動電壓，常見驅動正電壓有12V、18V和20V，該選哪一個電壓值較佳?因為大部分SiC MOSFET的Vgs-Ron曲線看出驅動電壓18V與20V的導通電阻小且差異不大，代表兩種驅動電壓的導通耗損差異小，但使用18V可以減少突波損壞元件的可能性，因此選擇18V較佳；另外，常見驅動負電壓有0V、-3.3V和-5V時，該選哪一個電壓值較佳?雖然三者都能關閉功率電晶體，但需要考慮誤導通的可能性。

誤導通指當Q1的閘極瞬態電壓 (dVg/dt)太快時，產生Q2的汲極電壓振鈴，再透過寄生閘極-汲極電容耦合到閘極電壓。若振鈴電壓超過Q2的門限電壓，則產生大電流直通Q1和Q2，因而減少轉換效率甚至毀壞零件。

舉例來說，Q2的門限電壓為2.8V且最大振鈴電壓為3.5V。選擇閘極電壓-5V的話，Q2閘極-源極電壓為

此值明顯低於門限電壓，由此可知將閘極電壓使用負電壓而不是0V時，閘極-源極電壓即使受到振鈴電壓影響也沒辦法高於門限電壓，因此選擇負電壓來關斷SiC MOSFET較佳。

 

 

使用較大的正閘極電壓對閘極電容充電以減少切換開關損耗和導通損耗，則需要較小的負閘極電壓才能快速地釋放閘極電容的電荷以避免振鈴現象引起誤導通，此需要注意的是負電壓的設置不能超過SiC MOSFET的最大額定電壓。

 

結論

近年來常使用第三代半導體作為高電壓與高電流的切換開關，設計閘極-源極電壓需考慮功率耗損與系統可靠性等因素，其包含避免驅動電壓超過最大額定電壓、減小切換開關能量損失和功率電晶體導通阻抗過大的問題。

 

 

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