随着碳化硅(SIC) 作为半导体材料的普及不断增长，它成为具有广泛应用的下一代功率器件的重要参与者，如下图所示的风力涡轮机。

　　SiC 是一种宽带隙 (WBG) 材料，用作半导体材料时，与硅相比具有多种优势(例如，带隙宽度是硅的 3 倍，击穿电场强度是硅的 10 倍)。

　　与更传统的 Si 或 IGBT 等效器件相比，使用 SiC 功率 MOSFET 具有许多优势，但为其选择驱动器需要采用不同的方法。

　　在功率器件中 SiC 相对于 Si 的优势：

　　SiC 是一种有效、高效的宽带隙 (WBG) 替代品，可替代更传统的硅基功率器件，其原因有以下几个：

　　MOSFET 开关速度更快，即在 5 kHz 至 20 kHz 时，与 Si IGBT 相比，>50 kHz，或对于 Si MOSFET，>20 kHz

　　效率更高

　　更高的耐压能力

　　更高的功率水平，即 >5 kW，而 Si IGBT 的功率水平为 >3 kW，SiC MOSFET 的功率水平为 <3 kW

　　高温能力

　　特别是，SiC MOSFET 越来越多地用于电动和混合动力汽车的 DC-DC 转换器(包括电动汽车的牵引逆变器)、铁路、太阳能逆变器和通用电源。

　　碳化硅功率晶体管

　　SiC 功率晶体管通常用作电源和其他开关应用的开关。如果正确实施，它们可以实现关键的设计目标，例如降低功耗和最小化电源产品的尺寸，同时提供刚才讨论的好处。然而，工程师在栅极驱动 SiC 与 Si 时需要注意一些差异。

　　驱动 SiC 功率 MOSFET

　　为了使 SiC MOSFET 达到最佳性能水平，工程师需要认识到驱动器的某些设计参数将与 Si MOSFET 的设计参数不同。作为参考，典型的应用电路如图 2 所示。

图2

　　大多数 MOSFET 将在 VGS(栅源电压)为零时关闭。另一方面，当半桥和桥配置中出现负栅极偏置时，SiC MOSFET 栅极驱动器将工作得更好。与 VGS 相关的潜在问题的一个例子是米勒效应。如果一个 SiC MOSFET 导通，第二个 MOSFET 的漏极可能会经历足够的浪涌，从而由于寄生效应而导通。对于 SiC MOSFET，建议的 VGS 通常为 14 至 20 V 完全导通，0 至 -5 V 完全关断。请注意，较低的开启 VGS 将导致较低的效率水平。

　　对于 SiC MOSFET 等高压应用，需要隔离栅来 1) 防止不需要的交流或直流信号从 MOSFET 的低压侧传输到高压侧，2) 确保初级侧不超过电路的最大额定值。由于 SiC MOSFET 支持比 Si 或 IGBT 更高的电压，因此必须考虑最大工作隔离电压。对于高功率应用，电压很容易高达 1,700 V。

　　驱动 SiC 功率 MOSFET 时，CMTI(共模瞬态抗扰度)也至关重要。CMTI 是施加在两个隔离电路之间的 VCM(共模电压)上升或下降的最大容忍速率。

　　由于 SiC MOSFET 可实现高开关速率，因此 CMTI 可能会出现问题。VCM 的上升/下降会导致电压瞬变较大，很容易达到 100 kV/μs，从而导致低压产生噪声。驱动器必须承受高于额定水平的 CMTI 才能有效。

　　还有与电容相关的设计考虑因素。开关节点电容会增加损耗，栅极电路中的电容和电感的组合会降低开关速度(这是使用 SiC 的主要优点)和控制栅极电压的能力。为了增加电容挑战，并联器件的电容差异将导致不平衡。通过PCB 布局可以最大限度地减少这些问题。

　　最后，为 SiC 功率 MOSFET 驱动器供电的 DC-DC 转换器应具有双未稳压输出或双电压轨。具有单一输出电压的 SiC 驱动器将无法提供可靠关断 SiC MOSFET 所需的负电压。双输出 DC-DC 转换器可以提供晶体管导通所需的正电压和关断晶体管所需的负电压。

　　然而，如前所述，开启和关闭电压不是互补的(例如+12V和-12V)，大多数双输出DC-DC转换器都是这种情况。专为 SiC 驱动器设计的 DC-DC 的输出电压是不对称的，可以根据特定的开启和关闭电压要求(例如 +20 V 和 - 5 V)进行选择。

　　CUI DC-DC 设计用于为 SiC 驱动器供电

　　CUI VQA3S-S 系列是一款隔离式 DC-DC 转换器，专为为 IGBT 和 SiC MOSFET 驱动器供电而设计。它们的运行效率高达 87%，通过 UL/cUL 62368 安全认证，最高工作温度为 105°C。

图3

　　CUI VQA3S-S 系列的开关频率为 200 kHz，具有双非对称输出。它们具有 5 kVAC 的隔离电压和强化隔离。因此，它们具有高于 200 kV/μs 的高 CMTI 和 3.5 pF 的超低隔离电容。

　　不断发展的功率技术需要更高效、高性能的功率晶体管，而 SiC 通常是下一代功率器件的最佳选择。然而，工程师必须拥有正确的驱动电压才能充分利用 SiC 功率 MOSFET 等组件。立即联系 CUI，详细了解 SiC 在电源设计中的潜力。浮思特科技深耕功率器件领域，为客户提供单片机(MCU)、触控芯片等功率器件，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。