【導(dǎo)讀】對(duì)于高壓開關(guān)電源應(yīng)用，碳化硅或 SiC MOSFET 與傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。SiC MOSFET 很好地兼顧了高壓、高頻和開關(guān)性能優(yōu)勢(shì)。它是電壓控制的場(chǎng)效應(yīng)器件，能夠像 IGBT 一樣進(jìn)行高壓開關(guān)，同時(shí)開關(guān)頻率等于或高于低壓硅 MOSFET 的開關(guān)頻率。之前的文章中，我們介紹了SiC MOSFET 特有的器件特性。今天將帶來(lái)本系列文章的第二部分SiC柵極驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵要求和NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的基本功能。
分立式 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)
為了補(bǔ)償?shù)驮鲆娌?shí)現(xiàn)高效、高速開關(guān)，SiC 柵極驅(qū)動(dòng)電路需要滿足以下關(guān)鍵要求：
1. SiC MOSFET 的最大/最小 VGS 是不對(duì)稱的，在 +25 V/-10 V 范圍附近。柵極驅(qū)動(dòng)電路必須能夠提供接近 35 V 的全范圍（即 VGS 擺幅）電壓，以便充分利用 SiC 的性能優(yōu)勢(shì)。大多數(shù) SiC MOSFET 在 -5 V > VGS > 20 V 的驅(qū)動(dòng)電壓下表現(xiàn)最佳。為了覆蓋更多的 SiC MOSFET，柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能承受 VDD = 25 V 和 VEE = -10 V
2. VGS 必須具有快速的上升沿和下降沿（約幾納秒）
3. 在整個(gè)米勒平臺(tái)區(qū)域，必須能夠提供約幾安培的峰值柵極電流
4. 當(dāng) VGS 降至米勒平坦區(qū)域以下時(shí)，需要提供極低阻抗的下拉或“鉗位”，灌電流能力即由這一需求決定。灌電流額定值應(yīng)超過(guò)用于對(duì) SiC MOSFET 的輸入電容進(jìn)行放電所需的電流。10 A 數(shù)量級(jí)的最小峰值灌電流額定值被視為適合覆蓋高性能半橋電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
5. VDD 欠壓鎖定 (UVLO) 電平必須在不滿足 VGS > ~16 V 的條件才開始切換
6. 必須有 VEE UVLO 監(jiān)控能力來(lái)確保負(fù)電壓軌在可接受范圍內(nèi)
7. 必須具有能夠檢測(cè)、故障報(bào)告和保護(hù)的去飽和功能，以確保 SiC MOSFET 的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行
8. 低寄生電感以支持高速開關(guān)
9. 驅(qū)動(dòng)器封裝應(yīng)較小，可以安裝在盡可能靠近 SiC MOSFET 的位置
為了驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 高效、可靠地工作，需要非常特定類型的柵極驅(qū)動(dòng)器。然而，目前業(yè)界展示的大多數(shù)參考設(shè)計(jì)都是基于使用通用低邊柵極驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)的。一個(gè)這樣的例子如圖 8 所示。
圖 8.標(biāo)準(zhǔn)低邊驅(qū)動(dòng)器、SiC 分立式柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)示例
所示電路相對(duì)于地是浮動(dòng)的，因此它可以用作低邊或高邊參考柵極驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于任何一種情況，如果出現(xiàn)功率級(jí)故障，都需要隔離以保護(hù)控制電路免受功率級(jí)高壓的影響。使用了兩個(gè)隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其中 PS1 提供 VDD = 24 V（后調(diào)節(jié)至 20V），而 PS2 則配置為調(diào)節(jié) VEE = -5 V。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器用于提供 VDD 和 VEE 電壓軌。還應(yīng)該提到的是，這些轉(zhuǎn)換器專用于驅(qū)動(dòng)單個(gè) SiC 負(fù)載，因此每個(gè) SiC 負(fù)載需要兩個(gè)。對(duì)于高邊柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用尤其如此，例如半橋、全橋或電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的上部開關(guān)。主驅(qū)動(dòng)器上的電壓 U1 會(huì)浮動(dòng)數(shù)百伏，并且非常容易受到與開關(guān) SiC MOSFET 相關(guān)的高 dV/dt 的影響。假設(shè) dV/dt=100 V/ns，PS1（或 PS2）變壓器隔離柵上的雜散寄生電容僅為 1 pF，會(huì)產(chǎn)生 100 mA 的峰值電流。100 mA/pF 意味著需要低寄生電容、低雜散電感以及 VEE（和 VDD）電壓軌和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 之間的緊密耦合。
數(shù)字隔離器 U2 將柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率級(jí)隔離開來(lái)，并提供必要的電平轉(zhuǎn)換。之后，U2 的次級(jí)側(cè)用作主驅(qū)動(dòng)器 U1 的輸入。U1 是通用的低邊柵極驅(qū)動(dòng)器，但額定值必須能夠處理全 VGS 25 V 的電壓擺幅 (-5 V < VGS < 20 V) 并提供所需的拉電流/灌電流能力。由于大多數(shù)通用低邊柵極驅(qū)動(dòng)器的額定最大 VDD = 20 V，可能無(wú)法提供足夠的拉電流/灌電流，并且可能無(wú)低電感封裝可用，可能僅限于幾個(gè)特定的選擇。
這些類型的柵極驅(qū)動(dòng)器旨在驅(qū)動(dòng)硅 MOSFET，從這個(gè)角度來(lái)看，它們無(wú)法滿足 SiC MOSFET 所需的幾個(gè)重要要求。例如，這些柵極驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有過(guò)流故障報(bào)告或 DESAT 監(jiān)控功能。此外，通用柵極驅(qū)動(dòng)器的 UVLO 閾值通?；?5 V < VDD < 12 V。這可能是有問(wèn)題的，因?yàn)椤鞍踩摹盫DD SiC MOSFET 的工作電平約為啟動(dòng)時(shí) VDD > ~16 V。并且，沒(méi)有 UVLO 監(jiān)控用于 VEE 電壓軌，如圖 8 參考設(shè)計(jì)中所示。標(biāo)準(zhǔn)低邊驅(qū)動(dòng)器、SiC 分立式柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)示例。這些電壓軌需要在別處進(jìn)行監(jiān)控，以確保在導(dǎo)通期間將 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)到低電阻狀態(tài)，以及在關(guān)斷期間將柵極保持在負(fù)電壓水平。
雖然圖 8 所示的解決方案提供驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET 的必要功能，但它是不完整的，至少根據(jù)分立式 SIC 柵極驅(qū)動(dòng)部分開頭所述的柵極驅(qū)動(dòng)要求是如此。盡管如此，由于沒(méi)有專用的 SiC 驅(qū)動(dòng)器，目前大多數(shù) SiC 柵極驅(qū)動(dòng)電路都是這樣設(shè)計(jì)的。DESAT、電壓軌監(jiān)控、工作次序等任何附加功能要么由附加專用電路處理，要么全部忽略。
NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器
NCP51705 是一種 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器，具有高度的靈活性和集成性，使其與市場(chǎng)上的任何 SiC MOSFET 完全兼容搭配使用。如圖 9 所示，NCP51705 頂層框圖包括通用柵極驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)的許多基本功能，包括：
1. 高達(dá) 28 V 的 VDD 正電源電壓
2. 高峰值輸出電流（6 A 灌電流 和 10 A 拉電流）
3. 內(nèi)部 5 V 參考電壓可用于偏置 5 V、高達(dá) 20 mA 的低功率負(fù)載（數(shù)字隔離器、光耦合器、微控制器 等）
4. 獨(dú)立的信號(hào)地和電源地
5. 獨(dú)立的灌、拉電流引腳
6. 內(nèi)部熱關(guān)斷保護(hù)
7. 獨(dú)立的同相和反相 TTL、PWM 輸入
圖 9.NCP51705 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器框圖
此外，NCP51705 具備使用最少的外部組件設(shè)計(jì)可靠的 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)電路所必需的幾個(gè)獨(dú)特特性（在分立式 SIC 柵極驅(qū)動(dòng)部分的開頭列出）。NCP51705 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。
過(guò)流保護(hù) - DESAT
NCP51705 DESAT 功能的實(shí)現(xiàn)只需使用兩個(gè)外部組件。如圖 10 所示，通過(guò) DESAT 引腳的 R1 和 D1 監(jiān)測(cè) SiC MOSFET, Q1 的漏極-源極電壓。
圖 10.NCP51705 DESAT 功能
在 Q1 關(guān)斷期間，漏極-源極端子可能出現(xiàn)幾百伏電壓。一旦 Q1 導(dǎo)通，漏極-源極電壓迅速下降，預(yù)計(jì)在不到幾百納秒的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生從高電壓到接近零電壓的轉(zhuǎn)變。在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間，DESAT 信號(hào)前沿被一個(gè) 500 納秒計(jì)時(shí)器消隱，該計(jì)時(shí)器連接一個(gè) 5 Ω 的低阻抗下拉電阻。這使 VDS 有足夠的時(shí)間下降，同時(shí)確保 DESAT 不會(huì)意外觸發(fā)。500 納秒過(guò)后，DESAT 引腳被計(jì)時(shí)器釋放，200 mA 電流源通過(guò) R1、D1 和 SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻提供恒定電流。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，如果 因?yàn)榘l(fā)生短路故障使得DESAT 引腳上升到 7.5 V 以上，則 DESAT 比較器輸出會(huì)升高，從而觸發(fā) RS 觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。這種短路故障將逐個(gè)周期自動(dòng)終止 Q_NOT 輸出的后沿。SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓將被迅速降低， 降低的速度和功率器件去飽和故障時(shí)間成比例。
200 mA 電流源足以確保 D1 的正向壓降，同時(shí)也使 R1 的壓降能夠在 SiC MOSFET 導(dǎo)通期間獨(dú)立于 VDS。如果需要，可通過(guò)將 DESAT 引腳接地來(lái)禁用 DESAT 保護(hù)。相反，如果 DESAT 引腳處于浮動(dòng)狀態(tài)，或者 R1 失效斷路，則200 mA 電流源會(huì)流經(jīng) 20 kΩ 電阻器并在 DESAT 比較器的同相輸入端施加恒定的 4 V 電壓。這種條件下，基本上禁用了 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)。還有一些應(yīng)用可能傾向于使用電流檢測(cè)變壓器來(lái)檢測(cè)漏極電流，并從外部驅(qū)動(dòng) DESAT 引腳。在這種情況下，NCP51705 包括一個(gè) IC 選購(gòu)型號(hào)，移除 了20 kΩ 電阻器，使 DESAT 引腳可以用作傳統(tǒng)的逐脈沖、過(guò)電流保護(hù)功能。
DESAT 引腳上的電壓 VDESAT 由公式 (6) 確定為：
為 ID 確定最大值（留出額外的設(shè)計(jì)裕度）后，選擇 R1 和 ID，使 Vdesat < 7.5 V。重新排列公式 (6) 并求解 R1 得出：
除了設(shè)置允許的最大 VDESAT 電壓外，R1 還具有限制通過(guò) D1 結(jié)電容的瞬時(shí)電流大小的雙重目的。因?yàn)?SiC MOSFET 的漏極電壓變化率 dV/dt 極高，如果 R1 的大小不合適，通過(guò) D1 的 p-n 結(jié)電容的電流可能會(huì)變得非常高。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇具有最低結(jié)電容的快速恢復(fù)高壓二極管。R1 的典型值將接近 5 kΩ< R1 < 10 kΩ 的范圍，這會(huì)根據(jù)所選 SiC MOSFET 的 Id 和 Rds 參數(shù)而發(fā)生變化。如果 R1 遠(yuǎn)小于 5 kΩ，進(jìn)入 DESAT 引腳的瞬時(shí)電流可能為數(shù)百毫安。相反，如果 R1 遠(yuǎn)大于 10 kΩ，則 RC 延遲為 R1 和 Di 結(jié)電容的乘積。延遲可為 100 μs 量級(jí)，從而導(dǎo)致應(yīng)對(duì) DESAT 故障的額外延遲時(shí)間。
電荷泵 - VEE (VEESET)
NCP51705 使用單一的正電源電壓運(yùn)行。從單一 VDD 電源電壓運(yùn)行意味著必須由柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 自身產(chǎn)生負(fù) VEE 電壓。使用開關(guān)電容電荷泵是產(chǎn)生所需負(fù) VEE 電壓軌的必然選擇。構(gòu)建電荷泵有許多不同的選擇。主要挑戰(zhàn)是在瞬態(tài)條件下保持準(zhǔn)確的電壓調(diào)節(jié)，以一定的頻率開關(guān)以減小電容量，并最大限度地減少外部組件數(shù)量，從而降低成本并提高可靠性。
從圖 11 所示的電荷泵功能框圖可以看出，只需三個(gè)外部電容即可建立負(fù) VEE 電壓軌。電荷泵功率級(jí)基本上由兩個(gè) PMOS 開關(guān)和兩個(gè) NMOS 開關(guān)組成，這些開關(guān)以橋式結(jié)構(gòu)排列。
圖 11.NCP51705 Vee 電荷泵
如圖所示，外部飛跨電容 CF 連接在兩個(gè)半橋橋臂的中點(diǎn)之間。開關(guān)時(shí)序是這樣的：每當(dāng)兩個(gè)上部 PMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)， VDD電壓會(huì)施加在CF兩端。同樣，每當(dāng)兩個(gè)下部 NMOS 器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，-VEE 會(huì)施加在CF。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為 390 kHz，兩個(gè)上部 PMOS 器件與兩個(gè)下部 NMOS 器件異步切換。290 kHz 的 IC 選購(gòu)型號(hào)也可用于需要較低電荷泵開關(guān)頻率的應(yīng)用。
VEE 被調(diào)節(jié)到 VCH 處 的電壓，該VCH 處電壓由 通過(guò)VEESET 可編程的內(nèi)部低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 電壓決定。VEESET 上的電壓會(huì)改變內(nèi)部 LDO 看到的增益 (GLDO)。如果 VEESET 被懸空（建議使用從 VEESET 到 SGND 的 100?pF 旁路電容），則 Vee 設(shè)置為 ?3 V 的驅(qū)動(dòng)電壓。如果需要 ?5 V的驅(qū)動(dòng)電壓，VEESET 引腳應(yīng)直接連接到 V5V（引腳 23）。如果 VEESET 連接到 9 V 和 Vdd 之間的任何電壓，則 VEE 被箝位并設(shè)置為 ?8 V 。當(dāng) VDD > 7.5 V 時(shí)，電荷泵啟動(dòng)，VEE 電壓軌的電路部分包括一個(gè)內(nèi)部固定的 UVLO，設(shè)置為 VEE 設(shè)定值的 80%。由于 VDD 和 VEE 均由獨(dú)立的 UVLO 電路監(jiān)控，所以NCP51705 足夠智能，對(duì)于給定的SiC MOSFET可以使得兩個(gè)電壓軌都保持在安全范圍內(nèi)。
或者，通過(guò)完全禁用電荷泵，可以實(shí)現(xiàn) 0 V < OUT < VDD 輸出。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí)，電荷泵被禁用。當(dāng)電荷泵被禁用且 VEE 直接與 PGND 相關(guān)聯(lián)時(shí)，輸出在 0 V < OUT < VDD 之間切換。需要注意的是，每當(dāng) VEESET 與 SGND 相關(guān)聯(lián)時(shí)，VEE 必須與 PGND 相關(guān)聯(lián)。在此工作模式期間，內(nèi)部 VEE UVLO 功能也相應(yīng)禁用。
另一種可能的配置是禁用電荷泵，但允許使用外部負(fù) VEE 電壓軌。此選項(xiàng)允許 -VEE < OUT < VDD 輸出，因?yàn)殡姾杀梦垂ぷ鳎栽?IC 功耗方面略有節(jié)省。當(dāng) VEESET 連接到 SGND 時(shí)，外部負(fù)電壓軌可以直接在 VEE 和 PGND 之間連接。請(qǐng)注意，由于 VEESET 為 0 V，內(nèi)部 VEE UVLO 被禁用，因此 NCP51705 不知道 VEE 電壓水平是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
這種簡(jiǎn)單的 VEESET 調(diào)整能夠使用最少的外部組件實(shí)現(xiàn)最高程度的靈活性，同時(shí)滿足最廣泛的 SiC MOSFET 電壓要求。為了方便起見(jiàn)，表 3 中總結(jié)了 VEESET 的可配置性。
表 3. 半導(dǎo)體材料屬性
可編程欠壓鎖定 - UVSET
用于柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的 UVLO 對(duì)于保護(hù) MOSFET 至關(guān)重要，其工作原理是禁用輸出，直到 VDD 高于已知閾值。這不僅可以保護(hù)負(fù)載，而且可以向控制器確認(rèn)施加的 VDD 電壓高于導(dǎo)通閾值。由于與 SiC MOSFET 相關(guān)的低 gm 值，最佳導(dǎo)通閾值的UVLO并非“一刀切”。允許驅(qū)動(dòng)器輸出在較低的 VDD 下開關(guān)，可能對(duì)某個(gè) SiC MOSFET 不利，但根據(jù)散熱片、散熱器和 VDD 啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)另一個(gè) SiC MOSFET 而言可能是可接受的。最佳 U導(dǎo)通閾值的UVLO也會(huì)根據(jù) VDD 電壓軌的產(chǎn)生方式而發(fā)生變化。一些電源系統(tǒng)可能有一個(gè)專用的偏壓電源，而其他系統(tǒng)則可能依賴于類似于圖 13 的 VDD 自舉技術(shù)。
NCP51705 通過(guò)可編程 UVLO 導(dǎo)通閾值解決了這一需求，該閾值可通過(guò) UVSET 和 SGND 之間的單一電阻器設(shè)置。如圖 12 所示，UVSET 引腳由 25?μA 電流源內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)增益為 6。
UVSET 電阻器 RUVSET 根據(jù)公式 (8) 中定義的所需 導(dǎo)通電壓UVLO進(jìn)行選擇。
圖 12.NCP51705 UVSET 可編程 UVLO
VON 值通常由 SiC MOSFET 輸出特性曲線決定，如圖 1 中突出顯示的曲線。由于 即使 VGS 略有降低，SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻也會(huì)顯著增加，因此允許的 UVLO 滯后必須很小。因此，NCP51705 具有固定的 1-V 遲滯，關(guān)斷電壓 VOFF 始終比設(shè)置的 VON 低 1 V。
對(duì)于包含專用偏壓電源的電源，在電源系統(tǒng)因故障恢復(fù)而啟動(dòng)軟啟動(dòng)或重啟之前，一般認(rèn)為VDD 高于所需的 VON 閾值。對(duì)于此類系統(tǒng)，1-V UVLO 遲滯是必要的，并且不會(huì)因啟動(dòng)條件而產(chǎn)生任何影響。然而，一些電源系統(tǒng)從高電壓取電，然后依賴于自舉電路和變壓器繞組的 VDD產(chǎn)生方式如圖 13 所示。
圖 13.PWM 自舉啟動(dòng)示例
圖中顯示了具有高電壓 (HV) 啟動(dòng)能力以及 VON = 17 V 和 VOFF = 9 V 的固定 UVLO 閾值的 PWM 控制器。施加 HV 時(shí)，當(dāng) HV = VON = 17 V，內(nèi)部通道開關(guān)打開，PWM 控制器從 CVCC 汲取啟動(dòng)電流。在此期間，CVCC 正在放電，Q1 必須開始切換，以在變壓器自舉繞組中建立電壓。這對(duì)可允許的VON 電壓（該電壓可從 RUVSET 編程）施加了限制。UVSET 必須設(shè)置為小于 PWM 控制器的 UVLO VON 的值。圖 14 進(jìn)一步說(shuō)明了這些啟動(dòng)細(xì)節(jié)，其中 PWM 電壓閾值顯示為藍(lán)色，NCP51705 顯示為紅色。
圖 14.自舉啟動(dòng)時(shí)序
為了以盡可能高的 VGS 開關(guān) SiC MOSFET，需要將 VON 設(shè)置為盡可能接近 PWM 控制器的導(dǎo)通UVLO。比如，在 Δt (t2-t1) 期間 ΔV = 1 V。這表明CVCC 的放電非常淺，因此需要較大的電容值。例如，假設(shè)啟動(dòng)電流為 1 mA，Δt = 3 ms 且 ΔV = 1 V，則需要 3-μF 的CVCC 電容。相反，如果 VON 設(shè)置為比最小自舉放電電壓 VBOOT(MIN) 高 1 V，則意味著允許 CVCC 在更寬的 ΔV (17 V - 11 V) 范圍內(nèi)放電，因此可以使用更小的電容值。給定相同的 1 mA，Δt = 3 ms 且允許 ΔV = 6 V，所需的 CVCC 電容值降低至 500 nF；減少了 6 倍。然而，由于 SiC MOSFET 將在 VGS = 11 V 的情況下開關(guān)，因此所產(chǎn)生的影響可能很大。顯然，在啟動(dòng)前給 NCP51705 提供一個(gè)偏置電壓是首選方法。
數(shù)字同步和故障報(bào)告 - XEN
XEN 信號(hào)是由 和柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)VGS 反相的 5 V 數(shù)字表示。為了報(bào)告驅(qū)動(dòng)器“狀態(tài)”，PWM 輸入被認(rèn)為更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼇?lái)自內(nèi)部 SiC 柵極電壓發(fā)生電路，傳輸延遲很低。此信號(hào)可以在半橋電源拓?fù)渲杏米鞴收蠘?biāo)志和同步信號(hào)，為實(shí)施交叉導(dǎo)通(cross-conduction)保護(hù)提供基準(zhǔn)。每當(dāng) XEN 為高、VGS 為低時(shí)，則 SiC MOSFET 為關(guān)斷狀態(tài)。因此，如果 XEN 和 PWM 輸入信號(hào)均為高，則檢測(cè)到故障狀態(tài)，這個(gè)故障信號(hào)可以靈活運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。
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