本文简要比较(jiao)了(le)下SiC Mosfet管(guan)(guan)和Si IGBT管(guan)(guan)的部分电(dian)气(qi)性能参(can)数(shu)并分析了(le)这些电(dian)气(qi)参(can)数(shu)对电(dian)路(lu)设计的影响，并且根据(ju)SiC Mosfet管(guan)(guan)开关特性和高压(ya)高频(pin)的应(ying)用环境特点，推(tui)荐了(le)金升(sheng)阳可简化(hua)设计隔离驱动电(dian)路(lu)的SIC驱动电(dian)源模(mo)块。

一、SiC Mosfet

以SiC为(wei)衬底的(de)(de)Mosfet管(guan)因为(wei)其(qi)输入阻(zu)(zu)抗高，驱(qu)动(dong)功率(lv)小，驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路简(jian)单，具(ju)有靠多数载流(liu)(liu)子工(gong)作(zuo)导电(dian)(dian)特性，没(mei)有少数载流(liu)(liu)子导电(dian)(dian)工(gong)作(zuo)所需要的(de)(de)存(cun)储(chu)时间，因而开关速度快，工(gong)作(zuo)频率(lv)可到500kHz，甚至MHz以上。但(dan)是随着(zhe)其(qi)反向(xiang)耐压的(de)(de)提高，通态电(dian)(dian)阻(zu)(zu)也急剧上升，从(cong)而限制了其(qi)在(zai)高压场合的(de)(de)应用。IGBT具(ju)有高反向(xiang)耐压和大电(dian)(dian)流(liu)(liu)特性，但(dan)是对驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路要求很严格，并(bing)且不适(shi)合工(gong)作(zuo)在(zai)高频场合，一(yi)般(ban)IGBT的(de)(de)工(gong)作(zuo)频率(lv)为(wei)20kHz以下(xia)。

SiC作(zuo)为一(yi)种宽禁代半导(dao)体器(qi)件(jian)，具有饱(bao)和电(dian)(dian)(dian)子(zi)漂移速度(du)高(gao)(gao)、电(dian)(dian)(dian)场击穿强度(du)高(gao)(gao)、介电(dian)(dian)(dian)常数(shu)低和热导(dao)率(lv)高(gao)(gao)等(deng)特性。以SiC为衬(chen)底的Mosfet管具有阻断电(dian)(dian)(dian)压(ya)高(gao)(gao)、工作(zuo)频率(lv)高(gao)(gao)且耐(nai)高(gao)(gao)温能力强，同时又具有通态电(dian)(dian)(dian)阻低和开(kai)关(guan)损耗小等(deng)特点(dian)，是高(gao)(gao)频高(gao)(gao)压(ya)场合功率(lv)密度(du)提高(gao)(gao)和效率(lv)提高(gao)(gao)的应用趋势。

二、SiC Mosfet与Si IGBT性能对比

目前市面上常见(jian)的(de)SiC Mosfet电流(liu)均不大(da)于50A，以(yi)常见(jian)的(de)1200V/20A为例，列(lie)举了SiC Mosfet管(guan)的(de)部分电气参(can)数；同样例举了1200V/20A Si IGBT系(xi)列的(de)电气参(can)数进行比较；

通过表格性能(neng)(neng)对比，可以看出(chu)，SiC Mosfet有(you)三个方面的性能(neng)(neng)是明显优(you)于(yu)Si IGBT：

1.极其低的(de)导(dao)通(tong)电阻(zu)RDS（ON），导(dao)致了极其优越的(de)正向(xiang)压降和导(dao)通(tong)损耗，更能适(shi)应高(gao)温环(huan)境下工作；

2.SiC Mosfet管具有Si Mosfet管的输(shu)入特性，即相当低的栅极电荷，导致性能(neng)卓越(yue)的切(qie)换速(su)率；

3. 宽禁(jin)带(dai)宽度材料，具(ju)有相当(dang)低的漏电流，更能适(shi)应高电压的环(huan)境应用；

三、驱动电路要求

Sic Mosfet具有与Si Mosfet管非常(chang)类似的开关(guan)特(te)性(xing)，通过(guo)对Si Mosfet的特(te)性(xing)研究，其(qi)驱动电路具有相(xiang)同的特(te)性(xing)：

1. 对于(yu)驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路来讲，最(zui)重要(yao)的(de)(de)参数是(shi)(shi)门极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷，Mosfet管的(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)输入(ru)(ru)端相(xiang)当于(yu)是(shi)(shi)一个容(rong)(rong)性网络，因此器(qi)件在稳定导通时(shi)(shi)间或者关断的(de)(de)截止(zhi)时(shi)(shi)间并不需要(yao)驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，但(dan)是(shi)(shi)在器(qi)件开关过(guo)程中，栅(zha)(zha)极(ji)的(de)(de)输入(ru)(ru)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)需要(yao)充电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，此时(shi)(shi)栅(zha)(zha)极(ji)驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路必须提供足够大的(de)(de)充放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)脉冲(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。如果器(qi)件工作频率越(yue)(yue)快，栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)充放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)时(shi)(shi)间要(yao)求(qiu)(qiu)越(yue)(yue)短(duan)，则(ze)要(yao)求(qiu)(qiu)输入(ru)(ru)的(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)越(yue)(yue)小，驱动的(de)(de)脉冲(chong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)越(yue)(yue)大才能满足驱动要(yao)求(qiu)(qiu)；

2.栅(zha)极驱(qu)动电路必须合理选(xuan)择(ze)一定的(de)(de)(de)驱(qu)动电压(ya)，栅(zha)极的(de)(de)(de)驱(qu)动电压(ya)越(yue)(yue)高，则(ze)Mosfet的(de)(de)(de)感(gan)应导电沟道越(yue)(yue)大，则(ze)导通(tong)电阻越(yue)(yue)小；但是栅(zha)极驱(qu)动电压(ya)太(tai)大的(de)(de)(de)话，很容(rong)易(yi)将栅(zha)极和漏极之间绝(jue)缘层击(ji)穿，造(zao)成Mosfet管的(de)(de)(de)永久失效；

3.为(wei)了增加(jia)开关(guan)(guan)管的(de)速度(du)，减(jian)少开关(guan)(guan)管的(de)关(guan)(guan)断(duan)时间(jian)是有必要的(de)；且为(wei)了提高Mosfet管在(zai)(zai)关(guan)(guan)断(duan)状态(tai)下的(de)工作可靠(kao)性，将驱(qu)动电路设(she)计(ji)成在(zai)(zai)关(guan)(guan)断(duan)状态(tai)的(de)时候，在(zai)(zai)栅极加(jia)上反向偏(pian)置电压，以快速释放(fang)栅极输(shu)入电容的(de)电荷，减(jian)少了关(guan)(guan)断(duan)时间(jian)，使得驱(qu)动电路更(geng)可靠(kao)地关(guan)(guan)断(duan)Mosfet；但是反向的(de)驱(qu)动电压会增加(jia)电路损耗，反向偏(pian)置电压最(zui)好不(bu)要超(chao)过-6V；

4.当驱(qu)动对象是(shi)全(quan)桥(qiao)或者(zhe)半桥(qiao)电(dian)(dian)(dian)路的功率Mosfet，或者(zhe)是(shi)为了提高(gao)控制电(dian)(dian)(dian)路的抗干扰能力，此(ci)时(shi)(shi)将驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)路设计成隔(ge)离(li)驱(qu)动电(dian)(dian)(dian)路；实现电(dian)(dian)(dian)隔(ge)离(li)的方式可以通(tong)过磁(ci)(ci)耦(ou)合(he)变(bian)压(ya)器(qi)和光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)件；但是(shi)不管(guan)采用磁(ci)(ci)耦(ou)合(he)变(bian)压(ya)器(qi)还是(shi)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)件，都(dou)要保(bao)证耦(ou)合(he)器(qi)件的延迟(chi)时(shi)(shi)间与耦(ou)合(he)分布电(dian)(dian)(dian)容(rong)；采用的隔(ge)离(li)电(dian)(dian)(dian)源也必须(xu)具有高(gao)隔(ge)离(li)、快速(su)响应时(shi)(shi)间与低耦(ou)合(he)电(dian)(dian)(dian)容(rong)的特性。

四、隔离电源特性需求

从驱动(dong)电(dian)路的特性(xing)来看，要求驱动(dong)电(dian)源具有(you)以(yi)下特性(xing)：

1.为了适(shi)应高频率的使用(yong)要(yao)求，要(yao)求驱动(dong)电(dian)源具有(you)瞬时的驱动(dong)大功率特(te)性，即要(yao)求具有(you)大的容性负载能力；

2.为(wei)了(le)适应(ying)高(gao)电压应(ying)用使用要求，要求驱动电源具(ju)有(you)高(gao)耐压能力并且(qie)具(ju)有(you)超低的隔离电容，来减少高(gao)压总线部分对低压控制侧的干扰；

3.隔离驱(qu)动电源必须(xu)具有(you)合适的驱(qu)动电压，即要求电源具有(you)正负输(shu)出电压，并且正负输(shu)出电压不是对(dui)称(cheng)输(shu)出特性；

针(zhen)对SiC隔离驱(qu)(qu)动电(dian)路的特点，推出了SiC Mosfet驱(qu)(qu)动专用电(dian)源QA01C。该电(dian)源电(dian)气性能参(can)数全部达到SiC Mosfet驱(qu)(qu)动电(dian)路的要(yao)求，如：

不对(dui)称驱动电压，输出电压 +20/-4VDC 输出电流+100/-100mA

大容(rong)性负(fu)载能(neng)力，容(rong)性负(fu)载为220uF

高隔离电压，达到(dao)3500VAC

极低(di)的隔离电容，低(di)至3.5pF

此驱动电源还(hai)满(man)足了(le)其他性能参(can)数特点，具(ju)体功能如(ru)下：

效率高达83%

工作(zuo)温度范围: -40℃ ~ +105℃

可持续短路(lu)保护

QA01C具有(you)完(wan)整的(de)(de)驱动(dong)(dong)电(dian)(dian)路推荐(jian)，通过SiC驱动(dong)(dong)专(zhuan)用(yong)电(dian)(dian)源得到不对(dui)称的(de)(de)正向(xiang)驱动(dong)(dong)电(dian)(dian)压(ya)(ya)20V，负向(xiang)偏置关断(duan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)-4V；为了防止驱动(dong)(dong)电(dian)(dian)压(ya)(ya)对(dui)栅极造成损坏，增(zeng)加D2和(he)D3来吸收(shou)尖峰电(dian)(dian)压(ya)(ya)是很(hen)有(you)必要(yao)的(de)(de)。SiC驱动(dong)(dong)器采用(yong)一般驱动(dong)(dong)芯(xin)片即可；为了实现控制信号(hao)与主(zhu)功率回(hui)路的(de)(de)隔(ge)离(li)(li)，需要(yao)采取隔(ge)离(li)(li)措施(shi)，推荐(jian)采用(yong)常见的(de)(de)光耦隔(ge)离(li)(li)方案。采用(yong)的(de)(de)光耦必须(xu)具有(you)高(gao)共模抑制比（30KV/us）和(he)比隔(ge)离(li)(li)电(dian)(dian)源大的(de)(de)隔(ge)离(li)(li)耐压(ya)(ya)并且具有(you)极小的(de)(de)延迟时(shi)间来适应SiC Mosfet管的(de)(de)高(gao)频(pin)率工作特性。

五、功率晶体管的结构与特征比较

下图是各功(gong)率晶体管(guan)的(de)结构、耐压(ya)、导通电阻、开关速度的(de)比较。

使(shi)用(yong)的(de)(de)工艺技术(shu)不(bu)同结(jie)构(gou)也不(bu)同，因而电气特(te)征也不(bu)同。补(bu)充(chong)说明一(yi)下，DMOS是平(ping)面型的(de)(de)MOSFET，是常见的(de)(de)结(jie)构(gou)。Si的(de)(de)功率MOSFET，因其高耐压且可降低(di)导通(tong)电阻(zu)，近年来超级结(jie)（Super Junction）结(jie)构(gou)的(de)(de)MOSFET（以下简(jian)称“SJ-MOSFET”）应(ying)用(yong)越(yue)来越(yue)广(guang)泛。关于SiC-MOSFET，这里给出了DMOS结(jie)构(gou)，不(bu)过目前ROHM已经开始量产特(te)性更优(you)异的(de)(de)沟槽(cao)式结(jie)构(gou)的(de)(de)SiC-MOSFET。具(ju)体(ti)情况计划后续进行介绍。

在特征方(fang)面，Si-DMOS存在导通(tong)电阻(zu)方(fang)面的(de)(de)(de)课题，如前所(suo)述通(tong)过(guo)采用SJ-MOSFET结构(gou)来改善导通(tong)电阻(zu)。IGBT在导通(tong)电阻(zu)和耐压方(fang)面表现(xian)优(you)异(yi)，但(dan)存在开(kai)关速(su)度方(fang)面的(de)(de)(de)课题。SiC-DMOS在耐压、导通(tong)电阻(zu)、开(kai)关速(su)度方(fang)面表现(xian)都(dou)很优(you)异(yi)，而且在高温(wen)条件下的(de)(de)(de)工作也(ye)表现(xian)良好，可以说是具(ju)有极大(da)优(you)势(shi)的(de)(de)(de)开(kai)关元件。

这张图(tu)是(shi)各晶体管标准化(hua)的导通电(dian)(dian)阻和耐(nai)压图(tu)表。从图(tu)中可(ke)以看出，理(li)论上SiC-DMOS的耐(nai)压能力更高，可(ke)制作低(di)导通电(dian)(dian)阻的晶体管。目前SiC-DMOS的特性现状是(shi)用椭圆围起来(lai)的范(fan)围。通过未来(lai)的发展，性能有望进一步提升(sheng)。

六、总结

通过对SiC Mosfet管与Si IGBT管相关电气参数进行比较，我们发现SiC Mosfet将成为高压高频场合下(xia)的应用趋势。根据对SiC Mosfet管的开(kai)关特性的研究(jiu)，推荐了能简化其(qi)隔离设(she)计(ji)的专用电源QA01C，同时也推荐了基(ji)于(yu)SiC Mosfet的驱(qu)动(dong)电路。

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