Driver Consideration PART-1

2016-11-28 13:38:47

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电力电子领域，功率器件是个永恒的话题，从工艺到材料，每天都在不断进步，这些进步提高了功率器件的开关速度，降低了开关损耗，导通损耗，进而可以提高电源的开关频率和功率密度。在得到这些实惠的同时，功率器件的驱动设计变得越来越难，工程师需要特别注意驱动电路的设计，布板设计，热设计等等。

这些器件里，主流的有Super Junction的MOSFET和频率越做越高的IGBT，非主流的有价格昂贵的SiC MOSFET和逐渐成熟的高压GaN MOSFET，这些器件都有非常广泛的应用，这里不一一举例，而这些常用的应用按驱动划分的话，我觉得可以分为低边驱动和非低边驱动，低边驱动例如PFC中的MOSFET/IGBT，Solar里面的boost等，非低边驱动包括半桥/全桥，或者多电平等等应用，低边和高边的驱动差别就是驱动与controller的共地与不公共地，当然了还可以按照隔离与非隔离细分。

Part1：驱动电压的设定

a, 常用的高/低压MOSFET Vgs的耐压在+/-25左右，驱动电压设定到12V～15V左右就可以确保MOSFET充分导通，得到足够低的Rds_on，驱动电压太低，Rds_on会偏高，驱动电压太高就浪费驱动能量了。

下图是一个高压MOSFET的跨导曲线，可以看到驱动电压高于9V时MOSFET的Rds_on就基本不变了。

b, 关于IGBT，gate的输入特性和MOSFET是类似的，一般建议驱动电压设定在12V～15V，驱动电压太低了，Vce_sat会比较高，驱动电压太高的话，一方面浪费驱动能量，更重要的是缩短短路时间。

下图是一个15A/600V的IGBT输出特性图，可以看到Vge大于11V时，就能有效饱和开通了。

下图是同样这颗IGBT的短路guarantee时间和驱动电压的关系，可以看到Vge越高，短路电流越高，短路时间越短。

由于IGBT在逆变器中多工作在硬开关模式，在高功率的应用中，门极最好有负压偏置，加快关断速度的同时提高抗干扰能力。

c, 关于SiC MOSFET，与传统Si MOSFET相比，SiC MOSFET对驱动电压的要求就比较高了，下图是SCT30N120的跨导曲线，可见它的跨导是比较低的，因此需要较高的驱动电压才能得到足够低的Rds_on，一般来说SiC的驱动电压需要设定到18V～20V。

另外一方面，SiC的开关速度较快，Vth又比传统Si MOSFET稍低，所以建议门极在关闭时用负压偏置，确保有效关断，提高门极的抗干扰能力。值得注意的是SiC MOSFET的门极耐负压的能力较弱，要特别注意负压毛刺。

d, 关于GaN MOSFET，是个目前比较流行的话题，先看下面两张图，表格是Vgs的AMR，图片是跨导曲线，加上另外一个信息就是Vth的典型值是1.3V。从这几个信息来看，GaN的跨导特性和SiC的很像，门槛电压很低，是Logic level的，好在它的Vth是正温度特性的，不像Si和SiC MOSFET。

因此，对于GaN的驱动电压要越高越好，当然了，不能超过AMR，门极的负压偏置最好也是要有的。