学技术 | 碳化硅 SIC MOSFET 如何降低功率损耗
sic mosfet 作为第三代半导体器件，以其卓越的高频高压高结温低阻特性，已经越来越多的应用于功率变换电路。 那么，如何用最有效的方式驱动碳化硅 mosfet，发挥sic mosfet的优势，尽可能降低的传导和开关损耗，本文以给出了使用 st 碳化硅 mosfet 的主要设计原则，以得到最佳性能。
一，如何减少传导损耗：
碳化硅 mosfet 比超结 mosfet 要求更高的g级电压，建议使用 +18 v以减少 rds(on)，从而减少传导损耗。但是没有必要使用超过 20 v 的驱动电压，st 第三代sic mosfet vgs 可以低至 185v，在 20 a, 25 ℃的情况下 , 会增加 约20％左右的 rds （on）。 使用负压可以更快速的关断，从而使开关损耗最小化。
二，如何减少开关损耗：
影响开关损耗的主要因素有：
1，关断能量 （eoff）------取决于 rg 和 vgs-off （负的栅极电压）
2，开通能量 （eon）------取决于 rg
3，米勒效应---------------影响 eon 和 err （反向恢复损耗）
4，栅极驱动电流
关断能量 （eoff）------取决于 rg 和 负的栅极电压，和si mosset相似，碳化硅 mosfet 没有拖尾效应，所以关断损耗 （eoff）取决于vds电压上升时间和 id电流下降时间内的重叠区间，为了减少eoff ,需要尽快从栅极吸取更多的电荷，可以采用减小驱动电阻rg 和 增加栅极负电压 ，负压建议-3v左右。
下图描述了rg 和eoff 的关系：
当然，rg 的大小也会影响vds 电压过充，栅极电阻在 1ω 至 10ω 范围内变化时， vds 可相差50 伏，因此，需要优化pcb上的寄生电感，即使使用较小的驱动电阻时，可有足够的电压裕量。
使用负电压来关断 mosfet 有助于进一步减少关断损耗，可以增加栅极电阻rg上的压降，从栅极更快的抽取电荷。对于常规的栅极电阻值，截止电压从 0 v 下降到 -5 v，eoff 能降低 35％到 40％。
开通能量 （eon）------取决于 rg： 开通能量也可以通过降低栅极驱动电阻来降低，当栅极电阻在1 至 10ω 范围内变化时，开通损耗几乎降低了 40％。但是，较低的能耗必须要考虑emi，因为 di / dt 会因低 rg 值降低而显著增加，从而使emc 变差。
米勒效应对 开通损耗 eon 和反向恢复损耗 err 的影响：
当半桥下管开通时 , 电压变化 dvds/dt 发生在上管mosfet。这就形成了对上管mosfet 的寄生电容 cgd 的充电电流，此电流通过米勒电容，栅极电阻和 cgs （电容 cgd和 cgs 形成一个电容分压电路）。如果在栅极电阻上的电压降超过了上侧 mosfet 的开启阈值电压，则会产生被称为 “ 米勒导通 ” 或 “ 米勒效应 ” 的寄生导通，这会影响整个桥臂的开关损耗。相应的，当上管 mosfet 开通时，电流流过低侧开关的米勒电容时 , 寄生导通也可能会发生。
反向恢复损耗 err 是碳化硅 mosfet 固有的体二极管导通后消耗的开关能量。在不存在米勒效应的情况下，由于优异的碳化硅反向恢复特性 , 它是可以忽略不计。然而，在米勒导通存在时，反向恢复能量显著影响着整个开关损耗。
使用st 带有米勒钳位功能的驱动ic可以有效减小米勒效应。
对栅极驱动电流的要求：
开通或关闭 mosfet 所需的栅极电流可以通过栅级电荷来计算，栅级电荷可以从datasheet直接读取。
在任何开关周期 , 驱动器必须提供足够的驱动电流，当驱动器的拉电流和灌电流能力不足时 , 将影响碳化硅 mosfet 的开关性能。推荐使用st gap系列驱动ic。
综上所述，使用st 专用的sic mosfet 驱动ic，配合合适的rg 电阻值，可以得到优化的 开通/关断/导通 损耗。
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二，如何减少开关损耗：
影响开关损耗的主要因素有：
1，关断能量 （eoff）------取决于 rg 和 vgs-off （负的栅极电压）
2，开通能量 （eon）------取决于 rg
3，米勒效应---------------影响 eon 和 err （反向恢复损耗）
4，栅极驱动电流
关断能量 （eoff）------取决于 rg 和 负的栅极电压，和si mosset相似，碳化硅 mosfet 没有拖尾效应，所以关断损耗 （eoff）取决于vds电压上升时间和 id电流下降时间内的重叠区间，为了减少eoff ,需要尽快从栅极吸取更多的电荷，可以采用减小驱动电阻rg 和 增加栅极负电压 ，负压建议-3v左右。
下图描述了rg 和eoff 的关系：
当然，rg 的大小也会影响vds 电压过充，栅极电阻在 1ω 至 10ω 范围内变化时， vds 可相差50 伏，因此，需要优化pcb上的寄生电感，即使使用较小的驱动电阻时，可有足够的电压裕量。
使用负电压来关断 mosfet 有助于进一步减少关断损耗，可以增加栅极电阻rg上的压降，从栅极更快的抽取电荷。对于常规的栅极电阻值，截止电压从 0 v 下降到 -5 v，eoff 能降低 35％到 40％。
开通能量 （eon）------取决于 rg： 开通能量也可以通过降低栅极驱动电阻来降低，当栅极电阻在1 至 10ω 范围内变化时，开通损耗几乎降低了 40％。但是，较低的能耗必须要考虑emi，因为 di / dt 会因低 rg 值降低而显著增加，从而使emc 变差。
米勒效应对 开通损耗 eon 和反向恢复损耗 err 的影响：
当半桥下管开通时 , 电压变化 dvds/dt 发生在上管mosfet。这就形成了对上管mosfet 的寄生电容 cgd 的充电电流，此电流通过米勒电容，栅极电阻和 cgs （电容 cgd和 cgs 形成一个电容分压电路）。如果在栅极电阻上的电压降超过了上侧 mosfet 的开启阈值电压，则会产生被称为 “ 米勒导通 ” 或 “ 米勒效应 ” 的寄生导通，这会影响整个桥臂的开关损耗。相应的，当上管 mosfet 开通时，电流流过低侧开关的米勒电容时 , 寄生导通也可能会发生。
反向恢复损耗 err 是碳化硅 mosfet 固有的体二极管导通后消耗的开关能量。在不存在米勒效应的情况下，由于优异的碳化硅反向恢复特性 , 它是可以忽略不计。然而，在米勒导通存在时，反向恢复能量显著影响着整个开关损耗。
使用st 带有米勒钳位功能的驱动ic可以有效减小米勒效应。
对栅极驱动电流的要求：
开通或关闭 mosfet 所需的栅极电流可以通过栅级电荷来计算，栅级电荷可以从datasheet直接读取。
在任何开关周期 , 驱动器必须提供足够的驱动电流，当驱动器的拉电流和灌电流能力不足时 , 将影响碳化硅 mosfet 的开关性能。推荐使用st gap系列驱动ic。
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