宽带隙 (WBG) 器件（如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）与硅基 MOSFET 和 IGBT 在工作上有相似之处，但却表现出不同的电气特性，需要专门的栅极驱动解决方案。本文探讨了为 WBG 器件优化设计隔离栅极驱动器 的关键要求，重点介绍了可提高性能、效率和可靠性的关键先进技术。
作者
Michele Sclocchi
能源与电力应用工程师
南欧和以色列
隔离要求
碳化硅器件设计用于长时间在高电压下工作。隔离栅极驱动器可确保控制电路免受这些高电压的影响，从而提高系统的整体可靠性和安全性。
每个安全元件都有一个与时间相关的介电击穿曲线。隔离元件制造商通常会提供认证标准和隔离曲线数据。
隔离耐压 (VISO) 是指持续一分钟的最大耐压，典型值为 5.0 kVrms/1 min。
最大工作隔离度（VIOWM）是指设备可连续运行的最大隔离电压，预期使用寿命通常超过 23 年。
下图 1 显示了 Skyworks 5 kVrms 隔离产品在不同工作电压下的电压寿命；在 1 kVrms 电压下，预期寿命为 100 年。
最大浪涌隔离额定值（VIOSM）旨在模拟雷电情况。这是最严格的高压隔离测试，10 kV 预定义浪涌脉冲波形直接作用于元件。
行业标准还规定了隔离装置外部金属触点之间的最小间距要求。间隙 的定义是沿表面测量的距离，而间隙则是两根导电导线之间的最短距离。
最小爬电距离和间隙由 IEC 标准机构定义，旨在指导操作过程中防止电弧产生。它们取决于工作电压、材料类别、等级和技术、环境因素、海拔高度和污染以及设备用途。
有些应用还需要加强隔离，通过串联使用两层隔离来实现。这意味着如果其中一层出现故障，第二层仍能提供安全保护。加强型隔离器的绝缘能力相当于两个串联的基本隔离器。
下表 1 总结了通常建议用于 SiC 和 GaN 应用的隔离驱动器的典型隔离电压规格。
图 1：Skyworks 数字隔离器 Si86xxxD 随时间变化的介电击穿
隔离栅极驱动器技术的不断进步对于成功集成 WBG 器件至关重要，为更高效、更可靠的电力电子系统铺平了道路。
表 1：SiC 和 GaN 应用中隔离驱动器的典型隔离电压规格
驱动电压要求2
MOSFET 的跨导是确定开关时间的一个重要参数，因为它影响换向过程中的米勒高原栅极到源极电压。
跨导（gfs）的定义是漏极电流变化与栅极电压变化之比。与硅 MOSFET 相比，碳化硅 MOSFET 的跨导相对较低（通常分别为 2.6 S 和 15-20 S）。为了补偿较低的跨导并实现较大的漏极电流变化，需要施加较高的栅极至源极电压。
此外，SiC MOSFET 往往会在更宽的 Vgs 范围内保持在欧姆区，因此必须实现快速转换，将损耗降至最低。
市场上的 SiC MOSFET 按其阈值电压 (VTH) 进行分类。高阈值的典型值高于 3.5 V；低阈值 SiC MOSFET 的典型值在 3 V 至 3.5 V 之间。阈值电压可随温度变化而变化，最低可降至 1.8 V，最高可升至 4.3 V。
在可能发生击穿的双端配置（高压侧和低压侧 MOSFET）中，建议采用负栅极偏置，以提供足够的安全裕量，并防止寄生导通，尤其是在高开关频率时。
工作栅极驱动电压是通过评估 SiC 栅极电压建议值范围内的传导损耗 (Rdson) 和开关损耗等性能因素确定的。
图 2 显示了 0 V 至 -5 V 的负偏置关断电压（x 轴）和开关损耗（uJ）（y 轴）。请注意，用 -3 V 电压驱动关断电压可将开关关断（Eoff）损耗降低 25%。
图 2：ONSEMI SiC 开关损耗与负栅极偏置电压的关系（源 ONSEMI ND90204/D）。
欠压锁定 (UVLO)
欠压锁定（UVLO）是一种设计用于在偏置电源失效时保护系统的功能。欠压锁定电路持续监控栅极电源电压，并在电压低于规定阈值时禁用栅极。
碳化硅驱动器通常需要比硅器件更高的 UVLO 阈值。专用碳化硅栅极驱动器通常包括可编程 UVLO 电平或预定义选项，阈值范围在 10 V 至 16 V 之间。UVLO 设置应明显高于米勒高原区（8-9 V），并与碳化硅器件的热容量相一致。
图 3 显示了 SiC MOSFET 在不同栅极至源极电压 (Vgs) 水平下的典型导通特性。如果系统工作电流为 150 A，标称栅极电压为 20 V，而 UVLO 设置为 15 V，则漏极至源极压降 (Vds) 将减小到极小的一伏特（从 A 点到 B 点）。
但是，如果将 UVLO 设置为低于 12 V，热保护功能就会变得不足，导致电压降超过预期水平的两倍（C 点）。
图 3：SiC MOSFET 器件在不同
栅极电压水平下的通态压降电压
驱动器峰值电流3
栅极驱动器数据表通常会强调峰值电流，但不同制造商对峰值电流的定义可能有所不同。通常情况下，数据表将峰值电流定义为饱和电流，测量方法是将输出短路到一个大电容或将驱动器短路到一个短脉冲。然而，数据表中很少包含详细的 I-V 曲线，显示不同温度和制造差异下的最小值和最大值。
峰值电流的另一种定义是指定最低 I-V 曲线线性区域内的最大电流。只要外部栅极电阻的大小正确，这种保守的方法就能确保栅极驱动器的输出场效应晶体管在所有温度和工艺条件下都处于饱和状态。
除了峰值电流之外，还必须考虑内部开关的灌电流和源电阻以及特定条件下的上升和下降时间等规格。例如，内部上拉和下拉开关的电阻会显著影响驱动器和外部栅极电阻的平均电流和功率耗散。
表 2 总结了各种隔离栅极驱动器的电压、电流和速度，重点介绍了适合典型碳化硅应用的选项。
制造商 | 部件编号 | 最大输出电压 | I 输出峰值（源/汇） | 路由（源/汇）电阻 | 输出上升/下降时间 | 传播延迟 (ns) |
|---|---|---|---|---|---|---|
V | A | Ω | nS | nsec | ||
ADI | ADuM4146 | 30 | 11 | 0.6 | 18 | 44 |
ADI | ADuM4121 | 35 | 2 | 1.8/1.6 | 18 | 53 |
天工开物 | Si8281/2/3/4 | 30 | 2.7/5.5 | 2.48/ 0.86 | 5.5 | 50 |
天工开物 | Si8285 | 30 | 2.7/5.5 | 2.48/ 0.86 | 5.5 | 40 |
onsemi | NCD57084 | 36 | 7 | 10 | 60 | |
onsemi | NCD57100 | 36 | 7 | 15 | 70 | |
onsemi | NCP51752 | 33 | 4.5/9 | 1.4/0.5 | 15/8 | 36 |
天工开物 | Si827x | 30 | 1.8/4.0 | 2.7/1.0 | 10/13 | 45 |
天工开物 | Si82Fx | 30 | 4 | 0.7 | 15 | 30 |
ADI | MAX2270x | 28 | 4/5.7 | 1.25 | 3.6/2.5 | 5 |
共模瞬态抗扰度（CMTI）和隔离电容4
在选择隔离栅极驱动器时，共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是一个关键因素。CMTI 是指两个隔离电路之间共模电压的最高允许变化率。一般来说，隔离栅极驱动器的 CMTI 额定值应超过 SiC 器件的最大开关速度。典型开关速度为 50 V/nS，CMTI 额定值应高于 100 V/ns。许多最新一代的 SiC 和 GaN 隔离驱动器的 CMTI 值超过 200 kV/uS。
采用低 CMTI 栅极驱动器的 SiC 和 GaN 等快速开关器件可能会遇到各种问题，如故障、错过脉冲、传播延迟增加和死区时间延长。
另一个需要考虑的重要因素是寄生隔离电容 (Ciso)，通常在输入控制引脚和输出之间以几个皮法测量。在具有 100 V/ns 快速转换速率和 2 pF 隔离电容的 SiC 应用中，这可能导致 200 mA 电流流过隔离边界。
表 3：碳化硅和氮化镓器件隔离驱动器的典型 CMTI 和隔离电容概要
这一考虑因素同样适用于用于为器件提供正负栅极电压的隔离式 DC-DC 转换器。选择专为 SiC 和 GaN 应用设计、初级和次级之间隔离电容极低的转换器非常重要。例如，RECOM 的新型隔离式 DC-DC 转换器系列 (R12C2T25/R) 的隔离电容小于 3.5 pF。
主动式米勒夹钳
在电机驱动和其他电力电子系统中可能会发生短路事件，因此在这些应用中，SiC MOSFET 的坚固性是一个主要问题。在过流条件下，SiC MOSFET 必须在足够长的时间内同时处理大电流和高直流母线电压，直到短路响应保护电路启动，栅极控制信号关闭器件。
临界能量（Ec）是衡量功率器件鲁棒性的一个重要指标，是指在单次短路事件后导致被测器件失效的最小耗散能量。
设备制造商通常会规定设备的短路耐受能力，即设备在短路事件发生前可承受的时间。
短路电流受 Vds/Rdson 和器件饱和电流的限制，以较小者为准。
根据文献报道，1200 V SiC MOSFET 在 600 Vdc 总线电压和 20 V 栅极驱动下，室温下可承受 5-14 μs 的短路事件，这明显比 Si IGBT 差。
由于碳化硅和氮化镓器件的芯片较小，与标准硅器件相比，较高的电流密度会导致更快的温度上升，从而缩短故障时间，并需要更快的保护时间。
图 5 比较了额定电压和电流相同的两种不同开关器件的短路行为。IGBT 的短路耐受时间（紫色曲线）约为 38 微秒，而同等 SiC 器件的短路耐受时间（红色曲线）仅为 8 微秒。IGBT 的峰值短路电流高达 200 安培，而 SiC 器件几乎是后者的两倍。
驱动器中实施的短路保护响应时间应大大快于 SiC 器件的最大短路耐受时间。下图 6 总结了 SiC 模块的最大短路响应时间与其额定漏极至源极电压的函数关系，以及所指示的测试直流链路电压。对于单次短路事件而言，短路响应时间低于 2 μs 是相对安全的。一般来说，短路耐受时间随器件面积和 MOSFET 沟道长度的增加而增加。
短路响应时间越短，器件承受多次短路事件的能力就越强。然而，短路耐受时间并没有一个普遍固定的值，它取决于电压总线、封装芯片特性和芯片面积等因素。例如，采用 TO-247 封装的 SiC MOSFET 在 800 V 电压下的短路耐受时间为 1.7 μs，在 400 V 电压下的短路耐受时间约为 10 μs。
图 7 总结了不同类型功率晶体管的失效时间与直流母线电压的关系。请注意，E 模式 GaN HEMT 的失效时间远远小于 Si 和 SiC MOSFET。
在 400 V 直流电压母线上工作的 650 V GaN 的测量短路耐受时间约为 630 毫微秒。
短路耐受时间可通过临界能量 (Ec) 计算得出：
图 5：在Vds= 600 V 和 Tc =25°C条件下，1200 V/40 A SiC MOSFET 和 1200 V/40 A Si IGBT 的短路电流比较4
图 6：碳化硅模块的短路响应时间 (SCRT)
图 7：不同类型功率晶体管的失效时间
典型 SiC MOSFET 短路行为
图 8 显示了低电感非破坏性测试的典型短路波形。平面 SiC 1200 V 直流母线的电压限制为 400 Vdc，使用 2.2 μs 短路脉冲进行低电感 (60 nH) 短路测试，以确保器件的存活。波形可分四个阶段查看：
- A 阶段：SiC MOSFET 从截止区过渡到欧姆区。由于回路电感较小，电流开始迅速上升。在这种情况下，di/dt 约为 4 A/ns，从而在 1 μs 内产生高达 1 kA 的电流。在 1.1 μs 时，即 A 阶段结束时，短路能量约为 0.4 J，超过了器件的最大耗散极限。因此，短路
保护应在器件进入饱和区之前启动。 - B 阶段：SiC MOSFET 进入饱和区，短路能量继续增加。
- C 阶段：SiC MOSFET 仍处于饱和区。Rds,on 的增加导致 Id 从峰值下降。
- D 阶段：当 SiC MOSFET 关断时（当保护装置启动时），高 dI/dt (33 A/ns) 会导致
峰值电压过冲 2.2 kV。
短路保护应在绿色（线性）区域内启动，通常在 1-2 μs 的时间范围内。检测到短路时，MOSFET 应通过受控的压摆率（软开关功能）关闭，以尽量减少过冲。
下图 9 显示了 700 V Microchip 平面 SiC MOSFET 的耐压时间与栅极到源极电压和直流电压总线的函数关系。不出所料，当 Vgs 降低时，耐压时间会增加。这样就能更好地控制 SiC MOSFET 在短路检测后的关断，从而最大限度地减少过冲（软关断）。Microchip 平面 SiC MOSFET 的超长耐压时间在固态断路器 (SSCB) 或电子保险丝中得到了高度评价。
图 8：典型的 SiC MOSFET 短路行为7
图 9：Microchip SiC MOSFET 的短路耐压时间介于 3 μs 至 14 μs 之间，具体取决于直流链路电压和应用 Vgs
DESAT 保护电路9
去饱和（DESAT）电路是 IGBT 电路中一种广泛使用的过流和短路保护方法。它的工作原理是在器件完全导通时监测漏极至源极电压，并在检测到短路或过流事件时自动关闭器件。
带内置 DESAT 电路的隔离栅极驱动器最初是为 IGBT 设计的，也可用于 SiC MOSFET 和 GaN 器件。
通常情况下，如图 10 所示，DESAT 电路集成在栅极驱动器中，只需要几个外部元件--一个快速高压二极管 (Ddsat) 或多个串联二极管、一个消隐电容器 (Cblank) 和一个电阻器 (Rblk)。
当 MOSFET 打开时，一个电流源 (Idsat) 会对电容器充电，从而产生一个消隐期，以防止开关期间的误触发。一旦电容器电压与 MOSFET 的漏极至源极电压相匹配，二极管就会变成正向偏置。当 MOSFET 的漏极至源极电压 (Vds) 达到保护阈值 (Vth-dsat)，减去二极管的正向压降和串联电阻器上的电压 (Idsat × Rdsat) 时，就会触发短路。
图 10：典型的 DESAT 保护电路，通常用于 IGBT 和 SiC MOSFET 的栅极驱动器，以防止出现过流和短路情况
调整电阻值或使用多个串联二极管可以改变触发电压。
通常情况下，DESAT 触发点设置为最大峰值电流的两倍，但在短路事件中应仔细调整为所需的最大电流。
DESAT 二极管必须是结电容较低的快速恢复型二极管，以最大限度地降低快速电压变化 (dv/dt) 引起的噪声敏感性。
配置消隐时间是为了防止在 MOSFET 的导通阶段发生错误触发，并使导通振荡得以稳定。触发电压 (Vtrigger) 和消隐时间都应根据 SiC MOSFET 的具体特性和导通行为进行微调。
确保短路事件期间的总能量低于碳化硅制造商规定的最大耐受能量的四分之一至关重要。
DESAT 电路简单、易于实现，而且功率损耗极小。然而，当与 SiC MOSFET 一起使用时，它也面临着某些挑战。正向二极管必须能承受高电压并快速响应，而固定的消隐时间会延迟短路
保护响应。
值得注意的是，DESAT 方法可能无法在所有故障条件下提供一致的准确性。不同的故障情况（如硬开关故障或负载故障）会导致不同的响应时间。不过，我们的主要目标是防止发生灾难性的设备故障，即使在出现低电感、快速电流浪涌的情况下也是如此。
例如，在保护典型的 SiC 模块时，DESAT 阈值电压仅 0.5 V 的变化就会导致漏极电流相差高达 100 A。
SiC MOSFET 的故障响应时间
SiC MOSFET 的短路响应时间 (SCRT) 应限制在 1 μs。如图 11 所示，总保护响应时间由四个部分组成：
- t_屏蔽：这是一个固定时间，在此期间，DESAT 引脚有意保持低电平（连接到地），以防止 SiC MOSFET 初始导通期间的电压尖峰导致错误触发保护电路。该时间通常设置在 200-300 ns 之间。
- t_blank：C_blank 电容通过内部电流源或外部电阻充电的时间。
- t_filter：从 DESAT 电压达到阈值到向 MOSFET 栅极发出关断指令之间的典型内部延迟。
- t_soft：软关断时间，用于降低 SiC MOSFET 关断过程中出现过压尖峰的风险。
下图 12 所示的波形是在硬开关故障情况下在工作台上捕捉到的，此时 MOSFET 接通，进入故障状态。在这种情况下，消隐时间加上总的故障检测时间，然后是斜坡时间，斜坡时间通常由一个上拉电阻器对外部电容器充电来定义。斜坡时间一直持续到电压达到阈值，触发软关断序列。
底部黄色轨迹显示栅极至源极电压上升，当短路保护被激活时，将转入软关断模式。
如前所述，DESAT 电路的总反应时间应在 1-2 usec 范围内。为了在不影响 Dsat 引脚抗噪性的情况下加快检测时间，可以通过
添加外部电流源来增加 Cblank 电容的内部充电电流。为保持良好的抗噪性，Cblank 电容的值应高于 300 pF。
图 13 显示了可用于加快 Cblank 电容充电时间而不降低其电容值的外部电路配置。这种解决方案也可用于级联 GaN 器件，使总响应时间低于 400 ns。
下图 14 显示了专为 GaN HEMT 器件设计和测试的分立式短路保护电路，该电路经过优化，可实现快速检测和保护。经测试，该电路的总响应时间为 122 毫微秒13。
其基本原理是测量器件在导通状态下的 Vds-on 电压（Vsense），并将其与参考电压进行比较。如果 Vsense 超过 Vref，比较器就会发出高电平故障信号 (FLT)。关断信号用于复位 Vsense 电压。
如果使用隔离驱动器，FLT 信号可通过隔离器送回驱动器。发送到驱动器的 FLT 信号可禁用栅极驱动器，迫使 GaN 器件硬关断。要实现超快响应时间，最好使用传播延迟短的隔离驱动器。
图 11：总保护响应时间
图 12：带有 Analog Devices 隔离栅极驱动器的 SiC 模块的硬开关故障情况11。
图 13：外部电路配置可在不降低电容值的情况下加快 Cblank 电容器的充电时间
图 14：氮化镓 HEMT 器件的超快响应时间13
栅极电流要求和功率耗散
要达到理想的开关速度，必须选择具有适当驱动电流容量的栅极驱动器。
将施加在栅极至源极端子上的电压 (dVgdr) 除以路径电阻之和，就能轻松计算出源电流和灌电流的峰值：
Rgin表示 SiC MOSFET 的内部栅极电阻，Rgonext和Rgoffext是用于控制开启和关闭速度的外部栅极电阻。同样，Rgondriver和Rgoffdriver表示栅极驱动器的内部电阻。
为确保外部电阻器能有效调节开关速度，源电流和灌电流必须保持在驱动器的峰值电流限制范围内。
在高频或大电流碳化硅应用中，为改善散热并提高栅极峰值电流，建议使用外部图腾柱双极晶体管。
下图 15 展示了 Skyworks Si828x 隔离驱动器的基本驱动增强电路。双极晶体管 Q1 和 Q2 在 VH 和 VL 信号的控制下调节驱动器电流。右图显示了峰值源电流高达 30 A，栅极电容为 220 pF。
特别是在大型模块应用中，外部图腾柱电路允许晶体管更靠近 MOSFET 栅极，有助于优化布局和性能。这最大限度地减少了栅极电路电感，降低了器件栅极引脚的电位振铃。此外，外部电路还能防止超出驱动器的最大功率耗散能力。
将 SiC MOSFET 的栅极总电荷 (Qg) 乘以施加在栅极至源极之间的电压 (dVgdr) 和开关频率 (fsw) 即可确定栅极电路的总功率要求：
结论
总之，隔离栅极驱动器技术的不断进步对于 WBG 器件在各种应用中的成功集成至关重要，为更高效、更可靠的电力电子系统铺平了道路。
参考资料
(*1) AN583 数字隔离器的安全考虑因素和布局建议 - Skyworks
(*2) ND90204 EliteSiC Gen 2 1200V MOFET 应用说明 - ONSEMI
(*3) 隔离栅极驱动器的峰值电流 - Analog Devices
(*4) SIC MOSFET 的鲁棒性和可靠性回顾与分析 - Jun Wang、Xi Jiang - 2020 年 2 月
(*5) AN5355 利用米勒钳位缓解 SIC MOSFET 栅极电压突变的技术
(*6) SiC MOSFET 模块短路保护的比较和讨论，Slavko Mocevic IEEE
(*7) 来源：SiC MOSFET 临界能量的新定义：SiC MOSFET 在短路操作下稳健性临界能量的新定义。
(*8) 用于电动汽车应用的基于 SiC 的辅助电子保险丝技术演示器 - Microchip - PCIM Europe
(*9) AN1288：Si828x 外部增强电路 - Skyworks SiC 电源模块的改进型去饱和短路保护方法科学直通车
(*10) SiC 电源模块的改进型去饱和短路保护方法科学直通车 (CPESE 2021)
(*11) Wolfspeed- Analog Device - 隔离栅极驱动器研讨会
(*12) AN1288：Si828x 外部增强电路 - Skyworks
(*13) 基于去饱和的简单 GaN HEMT 超快响应时间保护电路 - IEEE 2021 年 6 月
(*14) AN1288 Si828x 外部增强电路 - Skyworks DN80 - 用于 MOSFET 栅极驱动应用的双极晶体管 - 二极管
