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。
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