使用宽带隙器件做电路设计时的注意事项

说到功率转换电子器件，每位设计师都希望用到损耗最小的完美半导体开关，而宽带隙碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件通常被认为是接近完美的器件。不过，想要达到“完美”，只靠低损耗是远远不够的。开关必须易于驱动，不应产生高电磁干扰等不利影响，而且要耐用，当然还要成本低。

栅极驱动至关重要

驱动碳化硅和氮化镓器件的栅极可能是最重要的考虑因素，在大多数情况下，这比驱动IGBT和MOSFET更难。这两种成熟技术可以很容易地用0–12 V的电压驱动，以达到完全饱和，而且相比绝对最大电压（通常为+/-20 V），还有很大余地。稳定阈值可能在5 V左右，该条件下器件具有良好的抗噪性，同时峰值电流也比较合理，栅极驱动功率适中，至少在设备通常的切换频率下是这样的。

相比之下，碳化硅MOSFET和氮化镓 HEMT（高电子迁移率晶体管）单元具有更低的栅极阈值，但会有一些滞后（hysteresis）。此外，在高温条件下，这两种器件的阈值都会大幅降低，因此，通常必须使用负的关断状态电压来驱动栅极，以避免虚假开启。这是器件的一个优点带来的直接结果，即非常快的di/dt会在连接电感中产生电压瞬变，这可以耦合到栅极电路中。因此，必须非常小心，避免开关电流和栅极驱动回路中出现任何共连接（common connection）。即使是封装电感也可能有问题，因此许多制造商会在源极加上开尔文连接（Kelvin connection）以减轻影响。

碳化硅和氮化镓器件非常快的dV/dt也会造成类似的效果，通过漏栅米勒电容将瞬态耦合到栅极。在实践中，电流和电压边缘速率通常通过增加串联栅极电阻和/或缓冲器故意降低，尤其是在开关频率通常较低的电机控制应用中。在这种应用中，动态损耗的优势不太明显，但宽带隙器件的低传导损耗是一个优势。器件的最大边缘速率通常也会降低，以便将电磁干扰控制在合适范围内。

碳化硅MOSFET需要高栅极电压来进行全面增强，通常在15-18 V左右，接近绝对最大值，即最低20 V。负驱动的极限通常也低于硅MOSFET在-7至-10 V左右的极限。此外，在最大建议工作栅极驱动电压下，器件的短路耐受能力降低，因此碳化硅MOSFET栅极驱动器需要精确的控制和电压限制，以实现可靠的性能。

氮化镓HEMT单元与产生隔离栅氧化物的硅MOSFET和碳化硅MOSFET具有完全不同的栅特性。氮化镓栅极像一个压降约为3-4V的二极管，通过正向偏置，以几毫安电流实现单元导通。标称阈值约为1.3 V，但在高结温下可能更接近0.5 V，因此通常建议使用负压关断驱动。可以从双极性电源传到驱动器，但更简单的方法，同时也是英飞凌推荐的方法，就是在栅极电路中使用串联电容器，如下面的电路图所示。电阻器用于分别控制前缘和下降沿上的dV/dt，并确保稳定运行。

类似二极管的输入提供了电压钳位，但电流的平均值通常不得超过20mA，以避免器件损坏。在一些集成电路封装中使用氮化镓器件，如Nexperia cascode GaN或STMicroelectronics MasterGaN platform，可以将氮化镓驱动的难题转移到封装层面去处理，这样设计师就不必为此而操心了。专用的氮化镓驱动器也有利于开发更复杂的驱动方案，从而实现效率和功率密度的目标增益，并保护氮化镓器件本身。

雪崩能力与短路保护也是要考虑的因素

IGBT和硅MOSFET具有雪崩额定值，能够承受一定的集电极/漏极过压产生的能量。碳化硅MOSFET的承受值目前尚不容易测定，一些制造商仅提供估计值。氮化镓单元本身不具备承受过电压的能力，遇到过电压会立即失灵，因此它的最大工作电压额定值设置得非常保守。

栅极电路串联电容器

典型氮化镓单元栅极驱动电路 图片来源：英飞凌

碳化硅MOSFET确实有规定的短路额定值，与硅MOSFET相当，而氮化镓MOSFET的额定值不太明确，具有一定的可变性，而且可能累积退化。随着故障机制得到更好的描述，器件的参数表可能要开始包含短路额定值了。不过宽带隙器件具有自身优势，其芯片具有更高的最高温度额定值，而且碳化硅材料的导热性能要更好，这有助于控制故障条件下的瞬态功耗。

反向导通效果不同

在许多功率转换器电路中，电压钳位需要开关反向导通，例如，软开关变换器拓扑的电机驱动器用例，或者使能双向能量流。IGBT无法做到这一点，需要外部有损反并联二极管。硅和碳化硅MOSFET可以在低损耗的情况下反向导通，但它们有一个体二极管，可以在沟道被驱动之前的死区时间内进行换向或自然传导。控制电路通常会将这段时间降至最低，但在此期间，损耗可能会很高。在这方面，当电压小于1V时，正向压降约为4V的碳化硅体二极管通常比硅体二极管差很多。然而，碳化硅体二极管的反向恢复能量远低于硅体二极管。这意味着在“硬”开关变换器拓扑中，碳化硅体二极管动态损耗要低得多。在硬开关变换器拓扑中，体二极管从正向偏置到反向偏置，有可观的正向电流流动，而氮化镓 HEMT单元，如同IGBT，没有体二极管，也就没有反向恢复损耗。不过在沟道中出现反向电压传导，这些器件仍能自然换向。然而，沟道被主动驱动之前的压降是很复杂的。包括穿过沟道电阻的压降，加上阈值电压，再加上任何负的关闭状态栅极驱动电压。很容易就增加到5V以上。下图展示了典型600V级别器件的IGBT、碳化硅MOSFET、氮化镓 HEMT单元和硅MOSFET之间的一些关键性能比较。

开关技术的比较

典型600V级别器件开关技术的比较

宽带隙器件有所不同，但能大幅提升能效

在讨论了碳化硅和氮化镓器件的一些特性后，可以发现它们的一些缺陷是显而易见的。然而，制造商正在努力使零件更耐用、更易于使用，并在开发新的变体，如Cascode（共源共栅）的硅MOSFET，以及碳化硅的JFET（junction-based normally on transistor types），可以解决大部分问题。尽管如此，宽带隙器件的主要优势仍然成立：功率转换器的能效可以更高，开关频率也更高，能量、尺寸、重量减少，并由此带来磁性元件和散热器成本的降低。