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  功率半導(dǎo)體作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，是提升能源效率的決定性因素之一。電源、逆變器等電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，需要逐步達(dá)成具有挑戰(zhàn)性的效率目標(biāo)，同時(shí)還要控制成本。成本因素發(fā)揮的重要作用不只是增加制造商盈利。如果太陽能逆變器、高效電源和電動汽車變得更便宜，那將促進(jìn)人們采用更綠色環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施，對我們的地球乃至人類的未來產(chǎn)生積極影響。

從設(shè)計(jì)人員的角度來看，成本與效率二者之間的合理平衡至關(guān)重要。除常規(guī)的硅之外，最近還出現(xiàn)了新技術(shù)和新材料，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等，它們有望實(shí)現(xiàn)更高效率及功率密度。事實(shí)上，寬禁帶半導(dǎo)體因其材料的特性擁有巨大發(fā)展?jié)摿Γ梢詭黹_創(chuàng)性的性能。它們能夠?qū)崿F(xiàn)更高擊穿電壓，工作頻率更高、熱性能方面更加靈活，并擁有針對硬換流應(yīng)用的穩(wěn)健性。所有這些特性使其較之硅基解決方案更適合新的高效拓?fù)浠蚋呙芏仍O(shè)計(jì)。

  每種功率技術(shù)的“甜區(qū)”在哪里?

  如圖1所示，超結(jié)MOSFET或IGBT等硅基產(chǎn)品可用于很寬的電壓范圍(從幾伏到幾百伏不等)，適合于多個(gè)功率等級，而基于碳化硅的產(chǎn)品則適用于大于等于650 V的電壓等級(突破硅的限值，達(dá)到3 kV以上功率等級)，基于氮化鎵的器件更適合于650 V以下的電壓等級。而當(dāng)工作頻率增加時(shí)，碳化硅和氮化鎵都將逐漸優(yōu)于硅。應(yīng)用需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)決定了首選技術(shù)。

圖1：技術(shù)定位——硅、碳化硅和氮化鎵

  就這三種技術(shù)而言，并僅著眼于分立FET產(chǎn)品，英飛凌擁有豐富的600 - 650 V產(chǎn)品系列(CoolMOS?硅超結(jié)MOSFET、CoolSiC?碳化硅MOSFET和CoolGaN?氮化鎵常關(guān)增強(qiáng)型模式HEMT)。盡管SJ MOSFET以非常經(jīng)濟(jì)劃算的方式滿足了當(dāng)前對能源效率和功率密度的大多數(shù)要求，但是，如有散熱或超高密度等特殊設(shè)計(jì)要求，碳化硅和氮化鎵器件為最佳選擇。由于相關(guān)器件堅(jiān)固耐用，CoolSiC? MOSFET具有出色的熱性能，CoolGaN? HEMT適用于很高的工作頻率，可以將功率密度提升到非常高的水平。

  未來，WBG產(chǎn)品有望進(jìn)一步加速和替代硅基器件，不過，可以預(yù)見，這三種技術(shù)仍將長期共存。由于碳化硅易于使用，而且從超結(jié)MOSFET和IGBT過渡相對容易，因此在某些應(yīng)用中采用碳化硅的速度會更快一些。

  英飛凌CoolSiC? MOSFET旨在實(shí)現(xiàn)卓越性能

  在采用正確設(shè)計(jì)方法的情況下，碳化硅技術(shù)是要求卓越性能的應(yīng)用的最佳選擇。

圖2：英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件功能與特性一覽

  不過，晶圓面積與導(dǎo)通電阻積是給定技術(shù)的主要基準(zhǔn)參數(shù)，找到主要性能指標(biāo)(即，電阻和開關(guān)損耗)與實(shí)際工作性能二者之間的平衡仍然很重要。開發(fā)出CoolSiC? MOSFET與匹配的EiceDRIVER?柵極驅(qū)動器為的是充分利用碳化硅的預(yù)期性能：通過耐用性、可靠性與易用性優(yōu)勢帶來卓越性能。  

圖3：英飛凌基于碳化硅的CoolSiC?產(chǎn)品系列

  談到可靠性，碳化硅MOSFET在柵極氧化層(GOX)有關(guān)鍵的潛在故障點(diǎn)，柵極氧化層為隔離柵極和源極的層。碳化硅晶體的生長會在柵極氧化成結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷，而那些穿透柵極氧化層的缺陷會導(dǎo)致局部變薄，最終增加電場，使其超過介電擊穿電壓，導(dǎo)致最終摧毀器件。

  為避免這種情況，CoolSiC? MOSFET基于溝槽結(jié)構(gòu)，這具備兩大優(yōu)勢：

  ●由于結(jié)構(gòu)方向，GOX中缺陷較少

  ●由于具備更強(qiáng)的耐用性和更高的可實(shí)現(xiàn)電場強(qiáng)度(支持在更高電壓下進(jìn)行測試，提高缺陷篩選的有效性)，所以，GOX厚度增加，而不會影響到性能(可選擇濃度更高的GOX，不會對Ron產(chǎn)生影響)

  談到性能，CoolSiC? MOSFET具有非常低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，它們通過相對平坦的RDS(on)與溫度的依賴關(guān)系得到改善。特別是，抑制寄生電容產(chǎn)生的門極誤開通的穩(wěn)健性不僅對開關(guān)損耗有積極影響，而且在易用性方面也有重大意義。由于寄生電容導(dǎo)致誤開通的傾向性很低，CoolSiC? MOSFET是市面上唯一可以在0 V時(shí)可靠關(guān)斷的器件，不需要使用負(fù)電壓(雖然該器件也可以這樣使用)。因此，該驅(qū)動方案可以很簡單，并與超結(jié)MOSFET驅(qū)動解決方案完全兼容。

關(guān)于驅(qū)動電壓范圍，VGS范圍的上限與最大容許電壓之間需要有一定的電壓裕度(VGS, max;在數(shù)據(jù)手冊中指定)。該裕度保證緩沖區(qū)可以防止可能引起應(yīng)力和損壞柵極氧化物的過沖電壓。這是CoolSiC?技術(shù)為確?？煽啃远扇〉念~外措施。

  EiceDRIVER? IC令解決方案更趨完備

  英飛凌現(xiàn)已開發(fā)出六款專用柵極驅(qū)動IC，為的是以最佳方式驅(qū)動和保護(hù)英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件。如圖4所示，它們采用四種不同封裝，可以輕松適應(yīng)功率密度、PCB空間和隔離等級等方面的不同設(shè)計(jì)要求。

  單溝道非隔離EiceDRIVER? IC 1EDN9550B和1EDN6550B采用SOT-23 6-pin封裝，可用于驅(qū)動碳化硅半橋(HB)低邊開關(guān)。由于其具備真正的差分輸入(TDI)，它們特別適合驅(qū)動支持開爾文源極連接的4引腳MOSFET。獨(dú)特的差分驅(qū)動概念可以安全地防止由于控制器與驅(qū)動IC參考電位之間的電阻或感應(yīng)電壓降而導(dǎo)致的誤觸發(fā)，即使對于非?？焖俚拈_關(guān)瞬態(tài)也是如此。因此，TDI柵極驅(qū)動IC為確保碳化硅MOSFET的高效運(yùn)行帶來了設(shè)計(jì)緊湊但功能強(qiáng)大的解決方案。

  隔離式EiceDRIVER? IC 1EDB9275F和1EDB6275F采用DSO-8 150mil封裝，具有3 kVrms隔離電壓額定值，符合UL 1577標(biāo)準(zhǔn)(有待認(rèn)證)。結(jié)合TDI驅(qū)動器，可以實(shí)現(xiàn)混合柵極驅(qū)動配置，驅(qū)動采用圖騰柱PFC或諧振LLC拓?fù)涞奶蓟鐷B器件。通過采用單溝道柵極驅(qū)動IC，增大了布局的靈活性，可以優(yōu)化驅(qū)動IC在PCB上的布局，從而最大限度減小柵極回路寄生電感。此外，這種混合柵極驅(qū)動配置可節(jié)省28%的PCB面積(相比雙溝道柵極驅(qū)動IC而言)，并且在BOM物料清單方面很有競爭力。

  通過利用英飛凌專用的雙溝道隔離柵極驅(qū)動IC，可以實(shí)現(xiàn)替代的柵極驅(qū)動解決方案。EiceDRIVER? 2EDF9275F采用DSO-16 150mil封裝，非常適合圖騰柱PFC拓?fù)?。如果PWM信號必須越過安全隔離屏障，如在支持次級側(cè)控制的諧振LLC中，那么，正確的選擇是采用加強(qiáng)隔離的2EDS9265H。此外，該驅(qū)動采用DSO-16 300mil封裝，符合VDE 0884-10和UL 1577標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

  圖4：英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件的EiceDRIVER?柵極驅(qū)動IC

  表1顯示英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件的專用柵極驅(qū)動IC的主要規(guī)格。盡管有不同的封裝和輸入到輸出隔離類別、額定值和認(rèn)證，但這些柵極驅(qū)動器仍然基于相同的軌對軌驅(qū)動器輸出級。它是由互為補(bǔ)充的MOS晶體管實(shí)現(xiàn)的，可以提供典型的5.4 A源電流和9.8 A灌電流，用于快速開通和關(guān)斷，從而最大限度降低開關(guān)損耗。拉電流pMOS晶體管的RON為0.85?，灌電流nMOS晶體管的RON為0.35?，驅(qū)動器可視為近乎理想的開關(guān)，由于該IC的功耗更低，因此可以使其運(yùn)行溫度更低。

  共模瞬態(tài)抗擾性(CMTI)至關(guān)重要，可以確保在電隔離柵極驅(qū)動IC的輸入與輸出參考電位(接地)之間快速瞬變期間不會發(fā)生信號破壞的情況。由于碳化硅MOSFET可以產(chǎn)生超過100 V/ns的快速電壓瞬變，CMTI是選擇柵極驅(qū)動器時(shí)要考慮的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。1EDB6275F和1EDB9275F可確保最低的300 V/ns CMTI穩(wěn)健性，而2EDF9275F和2EDS9265H最低為150 V/ns，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)快速開關(guān)碳化硅應(yīng)用的要求。

  為充分發(fā)揮碳化硅MOSFET的潛力，驅(qū)動器的時(shí)序也特別重要。低輸入-輸出傳輸延遲結(jié)合在溫度和生產(chǎn)變化上的高精度，允許在半橋的兩個(gè)PWM信號之間使用很短的死區(qū)時(shí)間;這可以通過增加有效功率傳輸周期來提高效率。

  表1：用于英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V的柵極驅(qū)動IC

* 即將推出;VDDO = 15 V，VOUT = 0 V，Tamb = 25°C

  圖5為英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V在圖騰柱PFC中的典型用例。它由EiceDRIVER? 1EDB9275F和1EDN9550B驅(qū)動的48 mΩ碳化硅半橋器件組成，采用混合柵極驅(qū)動配置;通常使用低RDS(on) MOSFET作為同步整流器來實(shí)現(xiàn)功率路徑中指示的二極管功能。因此，該功率級可處理最高3.3 kW，效率超過99%。

  英飛凌WBG技術(shù)的好處之一是可以使用標(biāo)準(zhǔn)的柵極驅(qū)動器，因?yàn)橥扑]的驅(qū)動電壓分別為0 V和18 V。與15 V驅(qū)動相比，18 V柵極驅(qū)動電壓將RDS(on)降低約18%。總之，考慮到表1中列出的產(chǎn)品組合，客戶在欠壓鎖定(UVLO)級別方面有很多選擇，可以選擇最適合的柵極驅(qū)動電壓。UVLO功能可確保在輸出側(cè)電源電壓VDDO降至導(dǎo)致電源開關(guān)以線性模式工作的等級時(shí)，柵極驅(qū)動IC將使晶體管處于“關(guān)斷”狀態(tài)并處于其安全工作(SOA)區(qū)內(nèi)，從而避免了任何過多的功耗。1EDN6550B和1EDB6275F的典型UVLOoff為11.5 V，是15 V柵極驅(qū)動的正確選擇。對于具有較高柵極驅(qū)動電壓(如18 V)的應(yīng)用場合，必須選擇1EDN9550B、1EDB9275F、2EDF9275F或2EDS9265H，因?yàn)樗鼈兌季邆涓遀VLOoff等級。此外，如圖5所示，建議在柵極和開爾文-源極之間連接一個(gè)肖特基二極管，以鉗制在柵極端子上引起的開關(guān)感應(yīng)下沖，這可能會導(dǎo)致整個(gè)使用壽命中柵極閾值電壓VGS(th)的電位漂移。

  由于1EDB9275F、1EDB6275F、1EDN9550B和1EDN6550B具有反向(IN-)和非反向(IN+)輸入，因此可以通過將兩個(gè)PWM信號路由至每個(gè)柵極驅(qū)動IC來實(shí)現(xiàn)擊穿保護(hù)，如圖5所示;任何不想要的低邊和高邊PWM信號的重疊都不會傳播到晶體管的柵極。如果不需要此附加保護(hù)功能，只需將IN-連接至GNDI即可將其禁用。

  簡言之，EiceDRIVER?產(chǎn)品系列的單溝道和雙溝道電隔離柵極驅(qū)動IC均為驅(qū)動英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件的最佳選擇，以在高性能功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用場合實(shí)現(xiàn)效率、功率密度和穩(wěn)健性的最佳組合。

  圖5：基于EiceDRIVER? 1EDB9275F和1EDN9550B的CoolSiC?MOSFET 650 V混合柵極驅(qū)動