本文作者為英飛凌產品營銷專家Giovanbattista Mattiussi，英飛凌高階系統應用工程師Diogo Varajao博士
過去幾年出現並加速發展的數字化和能源效率等全球趨勢，給製造商和半導體市場帶來了新的挑戰。開發出助力實現高效電力管理系統的功率半導體器件，目前也已提上業界議程。
功率半導體作為電力系統的重要組成部分，是提升能源效率的決定性因素之一。
電源、逆變器等電力系統的設計人員，需要逐步達成具有挑戰性的效率目標，同時還要控制成本。成本因素髮揮的重要作用不只是增加製造商盈利。如果太陽能逆變器、高效電源和電動汽車變得更便宜，那將促進人們採用更綠色環保的基礎設施，對我們的地球乃至人類的未來產生積極影響。
從設計人員的角度來看，成本與效率二者之間的合理平衡至關重要。除常規的矽之外，最近還出現了新技術和新材料，
如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)
等，它們有望實現更高效率及功率密度。事實上，寬禁帶半導體因其材料的特性擁有巨大發展潛力，可以帶來開創性的效能。它們能夠實現更高擊穿電壓，工作頻率更高、熱效能方面更加靈活，並擁有針對硬換流應用的穩健性。所有這些特性使其較之矽基解決方案更適合新的高效拓撲或高密度設計。
碳化矽和氮化鎵技術的“甜區”在哪裡？
如圖1所示，超結MOSFET或IGBT等矽基產品可用於很寬的電壓範圍（從幾伏到幾百伏不等），適合於多個功率等級，而基於碳化矽的產品則適用於大於等於650 V的電壓等級（突破矽的限值，達到3 kV以上功率等級），基於氮化鎵的器件更適合於650 V以下的電壓等級。而當工作頻率增加時，碳化矽和氮化鎵都將逐漸優於矽。應用需求和設計目標決定了首選技術。
圖1：技術定位——矽、碳化矽和氮化鎵
就這三種技術而言，並僅著眼於分立FET產品，英飛凌擁有豐富的600 - 650 V產品系列（CoolMOS™矽超結MOSFET、CoolSiC™碳化矽MOSFET和CoolGaN™氮化鎵常關增強型模式HEMT）。儘管SJ MOSFET以非常經濟划算的方式滿足了當前對能源效率和功率密度的大多數要求，但是，如有散熱或超高密度等特殊設計要求，碳化矽和氮化鎵器件為最佳選擇。由於相關器件堅固耐用，CoolSiC™ MOSFET具有出色的熱效能，CoolGaN™ HEMT適用於很高的工作頻率，可以將功率密度提升到非常高的水平。
未來，WBG產品有望進一步加速和替代矽基器件，不過，可以預見，這三種技術仍將長期共存。由於碳化矽易於使用，而且從超結MOSFET和IGBT過渡相對容易，因此在某些應用中採用碳化矽的速度會更快一些。
英飛凌CoolSiC™ MOSFET旨在實現卓越效能
在採用正確設計方法的情況下，碳化矽技術是要求卓越效能的應用的最佳選擇。
圖2：英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能與特性一覽
圖2：英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能與特性一覽
不過，晶圓面積與導通電阻積是給定技術的主要基準引數，找到
主要效能指標
（即，電阻和開關損耗）與實際工作效能二者之間的平衡仍然很重要。開發出CoolSiC™ MOSFET與匹配的EiceDRIVER™柵極驅動器為的是充分利用碳化矽的預期效能：透過耐用性、可靠性與易用性優勢帶來卓越效能。瞭解可用的產品系列，敬請參閱圖2。
圖3：英飛凌基於碳化矽的CoolSiC™產品系列
談到
可靠性
，碳化矽MOSFET在柵極氧化層（GOX）有關鍵的潛在故障點，柵極氧化層為隔離柵極和源極的層。碳化矽晶體的生長會在柵極氧化成結構中產生缺陷，而那些穿透柵極氧化層的缺陷會導致區域性變薄，最終增加電場，使其超過介電擊穿電壓，導致最終摧毀器件。
為避免這種情況，CoolSiC™ MOSFET基於溝槽結構，這具備兩大優勢：
由於結構方向，GOX中缺陷較少
由於具備更強的耐用性和更高的可實現電場強度（支援在更高電壓下進行測試，提高缺陷篩選的有效性），所以，GOX厚度增加，而不會影響到效能（可選擇濃度更高的GOX，不會對Ron產生影響）
談到效能，CoolSiC™ MOSFET具有非常低的開關損耗和傳導損耗，它們透過相對平坦的RDS（on）與溫度的依賴關係得到改善。特別是，抑制寄生電容產生的門極誤開通的穩健性不僅對開關損耗有積極影響，而且在易用性方面也有重大意義。由於寄生電容導致誤開通的傾向性很低，CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V時可靠關斷的器件，不需要使用負電壓（雖然該器件也可以這樣使用）。因此，該驅動方案可以很簡單，並與超結MOSFET驅動解決方案完全相容。
關於驅動電壓範圍，VGS範圍的上限與最大容許電壓之間需要有一定的電壓裕度（VGS， max；在資料手冊中指定）。該裕度保證緩衝區可以防止可能引起應力和損壞柵極氧化物的過沖電壓。這是CoolSiC™技術為確保可靠性而採取的額外措施。
EiceDRIVER™ IC令解決方案更趨完備
英飛凌現已開發出六款
專用柵極驅動IC
，為的是以最佳方式驅動和保護英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件。如圖4所示，它們採用四種不同封裝，可以輕鬆適應功率密度、PCB空間和隔離等級等方面的不同設計要求。
單溝道非隔離EiceDRIVER™ IC 1EDN9550B和1EDN6550B採用SOT-23 6-pin封裝，可用於驅動碳化矽半橋（HB）低邊開關。由於其具備真正的差分輸入（TDI），它們特別適合驅動支援開爾文源極連線的4引腳MOSFET。獨特的差分驅動概念可以安全地防止由於控制器與驅動IC參考電位之間的電阻或感應電壓降而導致的誤觸發，即使對於非常快速的開關瞬態也是如此。因此，TDI柵極驅動IC為確保碳化矽MOSFET的高效執行帶來了設計緊湊但功能強大的解決方案。
隔離式EiceDRIVER™ IC 1EDB9275F和1EDB6275F採用DSO-8 150mil封裝，具有3 kVrms隔離電壓額定值，符合UL 1577標準（有待認證）。結合TDI驅動器，可以實現混合柵極驅動配置，驅動採用圖騰柱PFC或諧振LLC拓撲的碳化矽HB器件。透過採用單溝道柵極驅動IC，增大了佈局的靈活性，可以最佳化驅動IC在PCB上的佈局，從而最大限度減小柵極迴路寄生電感。此外，這種混合柵極驅動配置可節省28%的PCB面積（相比雙溝道柵極驅動IC而言），並且在BOM物料清單方面很有競爭力。
透過利用英飛凌專用的雙溝道隔離柵極驅動IC，可以實現替代的柵極驅動解決方案。EiceDRIVER™ 2EDF9275F採用DSO-16 150mil封裝，非常適合圖騰柱PFC拓撲。如果PWM訊號必須越過安全隔離屏障，如在支援次級側控制的諧振LLC中，那麼，正確的選擇是採用加強隔離的2EDS9265H。此外，該驅動採用DSO-16 300mil封裝，符合VDE 0884-10和UL 1577標準的安全要求。
圖4：英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的EiceDRIVER™柵極驅動IC
表1顯示英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的專用柵極驅動IC的主要規格。儘管有不同的封裝和輸入到輸出隔離類別、額定值和認證，但這些柵極驅動器仍然基於相同的軌對軌驅動器輸出級。它是由互為補充的MOS電晶體實現的，可以提供典型的5。4 A源電流和9。8 A灌電流，用於快速開通和關斷，從而最大限度降低開關損耗。拉電流pMOS電晶體的RON為0。85Ω，灌電流nMOS電晶體的RON為0。35Ω，驅動器可視為近乎理想的開關，由於該IC的功耗更低，因此可以使其執行溫度更低。
共模瞬態抗擾性(CMTI)
至關重要，可以確保在電隔離柵極驅動IC的輸入與輸出參考電位（接地）之間快速瞬變期間不會發生訊號破壞的情況。由於碳化矽MOSFET可以產生超過100 V/ns的快速電壓瞬變，CMTI是選擇柵極驅動器時要考慮的一個關鍵引數。1EDB6275F和1EDB9275F可確保最低的300 V/ns CMTI穩健性，而2EDF9275F和2EDS9265H最低為150 V/ns，這遠遠超出大多數快速開關碳化矽應用的要求。
為充分發揮碳化矽MOSFET的潛力，
驅動器的時序
也特別重要。低輸入-輸出傳輸延遲結合在溫度和生產變化上的高精度，允許在半橋的兩個PWM訊號之間使用很短的死區時間；這可以透過增加有效功率傳輸週期來提高效率。
表1：用於英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V的柵極驅動IC
* 即將推出；VDDO = 15 V，VOUT = 0 V，Tamb = 25°C
圖5為英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V在圖騰柱PFC中的典型用例。它由EiceDRIVER™ 1EDB9275F和1EDN9550B驅動的48 mΩ碳化矽半橋器件組成，採用混合柵極驅動配置；通常使用低RDS（on）MOSFET作為同步整流器來實現功率路徑中指示的二極體功能。因此，該功率級可處理最高3。3 kW，效率超過99%。
圖5：基於EiceDRIVER™ 1EDB9275F和1EDN9550B的CoolSiC™MOSFET 650 V混合柵極驅動
英飛凌WBG技術的好處之一是可以使用標準的柵極驅動器
，因為推薦的驅動電壓分別為0 V和18 V。與15 V驅動相比，18 V柵極驅動電壓將RDS（on）降低約18%。總之，考慮到表1中列出的產品組合，客戶在欠壓鎖定（UVLO）級別方面有很多選擇，可以選擇最適合的柵極驅動電壓。UVLO功能可確保在輸出側電源電壓VDDO降至導致電源開關以線性模式工作的等級時，柵極驅動IC將使電晶體處於“關斷”狀態並處於其安全工作（SOA）區內，從而避免了任何過多的功耗。1EDN6550B和1EDB6275F的典型UVLOoff為11。5 V，是15 V柵極驅動的正確選擇。對於具有較高柵極驅動電壓（如18 V）的應用場合，必須選擇1EDN9550B、1EDB9275F、2EDF9275F或2EDS9265H，因為它們都具備更高UVLOoff等級。此外，如圖5所示，建議在柵極和開爾文-源極之間連線一個肖特基二極體，以鉗制在柵極端子上引起的開關感應下衝，這可能會導致整個使用壽命中柵極閾值電壓VGS（th）的電位漂移。
由於1EDB9275F、1EDB6275F、1EDN9550B和1EDN6550B具有反向（IN-）和非反向（IN+）輸入，因此可以透過將兩個PWM訊號路由至每個柵極驅動IC來實現擊穿保護，如圖5所示；任何不想要的低邊和高邊PWM訊號的重疊都不會傳播到電晶體的柵極。如果不需要此附加保護功能，只需將IN-連線至GNDI即可將其禁用。
簡言之，EiceDRIVER™產品系列的單溝道和雙溝道電隔離柵極驅動IC均為驅動英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件的最佳選擇，以在高效能功率轉換應用場合實現效率、功率密度和穩健性的最佳組合。
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