碳化硅mos管的优缺点介绍,驱动电路设计解析
碳化硅MOS管深度解析

碳化硅（SiC），作为碳元素与硅元素构成的化合物半导体材料，凭借其卓越的物理特性，成为制作高温、高频、大功率、高压器件的优质之选。相较于传统硅材料（Si），碳化硅展现出显著的优势：其禁带宽度为硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿电压可达硅的8-10倍，电子饱和漂移速率为硅的2-3倍，完美契合现代工业对高功率、高电压、高频率的迫切需求，广泛应用于智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信等下游领域，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已实现大规模应用。

碳化硅器件在耐压、开关频率、散热能力及损耗等关键指标上大幅超越硅基器件。除禁带宽度优势外，碳化硅材料还具备更高饱和电子迁移速度、热导率以及更低导通阻抗，使得碳化硅器件相较于硅基器件具备诸多显著优势：更低的阻抗有助于缩小产品体积、提升转换效率；更高的工作频率（可达硅基器件10倍且效率不随频率升高而降低）可有效降低能量损耗；更强的高温运行能力则使冷却系统得以简化。

从材料到半导体功率器件，碳化硅需历经单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等一系列复杂工艺流程。合成碳化硅粉后，先制备碳化硅晶锭，经切片、打磨、抛光得碳化硅衬底，再经外延生长得外延片。随后，通过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺制得碳化硅晶圆，将其切割成die并封装，最终将器件组合放入特殊外壳组装成模组。

碳化硅（SiC）MOS管作为新型功率器件，与传统硅基功率器件相比，在特定条件下优势独特，但也存在不足。其具备高温特性优异（能在高温下正常工作且热稳定性高）、高频特性好（电子迁移速度快、损耗小，在高频场合性能佳）、开关速度快（门电容小，可实现更快开关速度与更高效率）、导通损耗小（导通电阻远低于硅MOSFET，利于减少导通损耗）、体积小重量轻（采用更小尺寸芯片，可提高功率器件集成度）等优点；然而，碳化硅MOS管也面临制造工艺难度大（需更高难度材料与工艺，导致成本高）、技术有待成熟（商业化应用较新，技术与市场认可度待提升）、可靠性问题（材料缺陷与器件寿命致可靠性有待提高）等挑战。

碳化硅器件驱动电路设计建议如下：

驱动电平与驱动电流的要求

碳化硅MOS管在高频开关场合应用时，受寄生参数影响显著。由于其栅极开启电压较低，易因电路串扰误导通，通常建议采用栅极负压关断。为使SiCMOS管更易替代IGBT，各半导体厂家在SiCMOSFET设计中使其驱动特性接近硅IGBT。常规碳化硅器件驱动电压约+18V，部分应用中可使用15V栅极开通电压，更低可达+12V，而栅极关断电压最低约-5V。理想的SiCMOSFET驱动芯片应覆盖多种栅极开通与关断电压需求，至少供电电压压差Vpos-Vneg需达25V。

尽管SiCMOSFET栅极电容小，驱动功率需求远低于传统IGBT，但为满足高频应用快速开通关断要求，需为SiCMOS选择具较大峰值输出电流的驱动芯片。若输出脉冲上升、下降速度快，则驱动效果更佳，这意味着驱动芯片的上升、下降时间参数需较小。

满足较短死区时间设定的要求

在桥式电路结构中，死区时间设定对系统可靠运行至关重要。SiCMOSFET开关速度较传统IGBT大幅提高，许多实际应用希望借此提升工作频率，进而提高系统功率密度，这意味着系统设计需匹配较小死区时间设定。同时，较短死区时间设定可保证逆变系统输出电压质量更高。死区时间计算需考虑开关器件本身的开通与关断时间（尤其是小电流下开关时间）以及驱动芯片的传输延时。对于开关速度快的器件，芯片延时在死区设定考量中占比更大。在隔离型驱动设计中，采用一拖一驱动方式时，芯片间参数匹配差异也需在死区设定时考量。为满足较小死区时间要求，选择驱动芯片时需参考其传输延时时间参数以及芯片对芯片的匹配延时。

芯片所带的保护功能

短路保护

SiCMOSFET与传统硅MOSFET短路特性有异，不同型号SiCMOSFET短路承受能力不同，但短路保护响应时间越短越好。借鉴IGBT退饱和检测方法，根据开关管输出特性，SiCMOSFET漏源极电压可反映电流变化。与硅IGBT相比，SiCMOSFET输出特性曲线线性区与饱和区过渡不明显，短路或过流时电流上升快，保护电路需更快响应速度。针对此需求，需选择检测速度快、响应时间短的驱动芯片进行保护电路设计。基于IGBT设计经验，每次开通时需设定消隐时间，避免开通前期Vce电压下降导致DSAET误触发。这对本就仅3us的SiCMOSFET短路保护电路设计提出更高要求，需驱动芯片DESAT相关参数精度更高，同时优化驱动电路PCB设计，减小环路寄生电感影响。

有源米勒箝位

SiCMOSFET栅极开启电压低且寄生电容小，对驱动电路寄生参数更敏感，易误触发，故常推荐负压关断。但SiCMOSFET能承受的栅极负压范围小，过大的负向电压尖峰可能击穿开关管，部分厂家推荐较高负压或0V关断。此情况下，为防止关断期间因米勒效应误触发，可采用带有有源米勒箝位功能的驱动芯片进行设计。

芯片抗干扰性（CMTI）

配合SiCMOSFET使用的驱动芯片，处于高频应用环境，需具备高抗干扰度。常用于评估驱动芯片抗扰度的参数为CMTI。现行标准中，磁隔离型驱动芯片抗扰性测量方法兼顾了电压上升延与下降延dv/dt，与SiCMOSFE开通和关断迅速的工作特性相似，故CMTI参数可作为衡量用于驱动SiCMOSFE的驱动芯片抗扰度的技术参考。



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