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  功率半導體作為電力系統(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)的設計人員，需要逐步達成具有挑戰(zhàn)性的效率目標，同時還要控制成本。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，那將促進人們采用更綠色環(huán)保的基礎設施，對我們的地球乃至人類的未來產(chǎn)生積極影響。

從設計人員的角度來看，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，它們有望實現(xiàn)更高效率及功率密度。事實上，寬禁帶半導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撲或高密度設計。

  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。而當工作頻率增加時，碳化硅和氮化鎵都將逐漸優(yōu)于硅。應用需求和設計目標決定了首選技術(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)增強型模式HEMT)。盡管SJ MOSFET以非常經(jīng)濟劃算的方式滿足了當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計要求，碳化硅和氮化鎵器件為最佳選擇。由于相關(guān)器件堅固耐用，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)品有望進一步加速和替代硅基器件，不過，可以預見，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，因此在某些應用中采用碳化硅的速度會更快一些。

  英飛凌CoolSiC? MOSFET旨在實現(xiàn)卓越性能

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

圖2：英飛凌CoolSiC? MOSFET 650 V器件功能與特性一覽

  不過，晶圓面積與導通電阻積是給定技術(shù)的主要基準參數(shù)，找到主要性能指標(即，電阻和開關(guān)損耗)與實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，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致局部變薄，最終增加電場，使其超過介電擊穿電壓，導致最終摧毀器件。

  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

  ●由于具備更強的耐用性和更高的可實現(xiàn)電場強度(支持在更高電壓下進行測試，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。由于寄生電容導致誤開通的傾向性很低，CoolSiC? MOSFET是市面上唯一可以在0 V時可靠關(guān)斷的器件，不需要使用負電壓(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，可以輕松適應功率密度、PCB空間和隔離等級等方面的不同設計要求。

  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電壓降而導致的誤觸發(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的高效運行帶來了設計緊湊但功能強大的解決方案。

  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標準(有待認證)。結(jié)合TDI驅(qū)動器，可以實現(xiàn)混合柵極驅(qū)動配置，驅(qū)動采用圖騰柱PFC或諧振LLC拓撲的碳化硅HB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拓撲。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標準的安全要求。

  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。它是由互為補充的MOS晶體管實現(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)動器時要考慮的一個關(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，這遠遠超出大多數(shù)快速開關(guān)碳化硅應用的要求。

  為充分發(fā)揮碳化硅MOSFET的潛力，驅(qū)動器的時序也特別重要。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PWM信號之間使用很短的死區(qū)時間;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準的柵極驅(qū)動器，因為推薦的驅(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%?？傊?，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降至導致電源開關(guān)以線性模式工作的等級時，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)的應用場合，必須選擇1EDN9550B、1EDB9275F、2EDF9275F或2EDS9265H，因為它們都具備更高UVLOoff等級。此外，如圖5所示，建議在柵極和開爾文-源極之間連接一個肖特基二極管，以鉗制在柵極端子上引起的開關(guān)感應下沖，這可能會導致整個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PWM信號路由至每個柵極驅(qū)動IC來實現(xiàn)擊穿保護，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)換應用場合實現(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