碳化硅MOS为什么要负压关断

随着电力电子技术的飞速发展，碳化硅(SIC)MOS管因其卓越的性能在高压、高温和高频应用中越来越受欢迎。在SIC MOS管的驱动技术中，负压关断是一个关键的技术点，它对于提高系统的性能至关重要。本文将详细探讨SIC MOS管驱动中负压关断的必要性及其工作原理。

SIC MOS管的基本特性

高温特性优异：SiC MOS管在高温下仍然可以正常工作，具有更高的热稳定性，可用于高温、高压的恶劣环境下。

高频特性优异：SiC MOS管的电子迁移速度高，损耗小，因此在高频场合下具有更好的性能表现。

开关速度快：由于SiC MOS管的门电容小，可以实现更快的开关速度，从而实现更高的效率。

导通损耗小：SiC MOS管的导通电阻比硅MOSFET低得多，可以实现更小的导通损耗。

体积小、重量轻：SiC MOS管采用了更小尺寸的芯片，相同功率的器件尺寸更小，重量更轻，可以提高功率器件的集成度。

负压关断的必要性

在传统的硅基MOS管中，通常不需要负压来关断器件。然而，SIC MOS管由于其特殊的材料特性和更高的工作电压，需要更严格的控制来确保可靠的关断。负压关断技术可以有效地防止SIC MOS管在关断过程中的误导通现象，从而提高系统的稳定性和效率。

当mos 管要完全关断时，需要确保导电沟道消失。在理想情况下，只要VGs≤Vth，mos 管就会关断。但是在实际电路中，为了更可靠地关断mos 管，会使VGs为负值。

另外在一些应用场景中，可能存在干扰信号或者mos 管自身的寄生电容等因素。当mos 管处于关断状态时，其栅极和源极之间存在寄生电容CGs。如果周围环境有干扰信号或者电路中其他部分的噪声等，有可能会使栅极电压升高。若此时VGs为正值且接近开启电压Vth，就可能会导致 mos 管误开启。

负压关断的工作原理

负压关断技术主要通过在SIC MOS管的栅极施加一个负电压，使得栅极-源极之间的电压低于开启电压，从而确保MOS管完全关断。这种技术可以有效地消除由于栅极电荷残留导致的误导通风险，特别是在高频开关应用中。

通常情况下，将VGs设置为负值，使得栅极-源极之间的电场方向与开启时相反，能够更加有效地抑制导电沟道的形成，确保mos管稳定地处于关断状态。并且，负的Vgs可以快速地将栅极积累的电荷通过适当的电路(如栅极驱动电路)释放掉，防止由于电荷积累导致的误导通。

因此我们可以在不使用专用SiC-mosfet驱动芯片的前提下，将mos管的源极处电压设置为+5V，栅极电压随PWM信号变化在+23V~-5V范围内改变。当驱动信号为正时，栅源极电压差为18V ，mos管导通；当驱动信号为负时，Vgs=-5V ，mos管关闭。

SiC MOSFET驱动负压关断模式在很多应用场景中会影响器件开关的可靠性。跟Si功率器件比较，SiC MOSFET开关速度较快、dv/dt高，容易造成栅极串扰。当栅极串扰电压ΔV_gs超过器件阈值电压V_gs(th)时，器件将会存在误开通风险。在这种情况下，SiC MOSFET容易损坏。因此在很多工况下，SiC MOSFET需要负压关断用以确保系统安全。  

如图1所示，上管MOS关断时候，桥臂中点电位下降，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极负向串扰电压。上管开通时候，桥臂中点电位上升，dv/dt通过下管的米勒效应在下管栅极正向串扰ΔV_gs。当ΔV_gs>V_gs(th)，上下功率管桥臂直通，造成器件损坏。同样原理，下管开通和关断也会在上管栅极分别造成正向和负向串扰。

▲图1 桥臂电路中栅极串扰示意图  

另外，SiC MOSFET的开启阈值电压随温度的升高而下降。因此，在栅极串扰作用下，高温下器件栅极串扰电压造成桥臂直通的风险进一步加大。因此，为防止SiC MOSFET的误导通，通常需要负压驱动。但是，目前大部分驱动芯片不支持负压驱动。本文将推荐两种驱动电路方案，基于单电源驱动芯片就可以实现负压关断。  

图2为基于单电源驱动芯片的驱动电路方案一。VDD1电源通过电阻R1//R2给电容C8//C9充电，电容两端电压快速上升到D4反向击穿电压以后，D4的两端电压稳定，负压VDD2随之建立。VDD1对地PGND-HS的电压幅值大小等于正向驱动电压幅值和关断负压绝对值之和。驱动芯片6脚输出PWM驱动信号。R6为开通电阻，R6//R8为关断电阻。SiC MOSFET的栅极通过驱动芯片内部集成上拉开关管接到芯片电源（VDD1）或者下拉开关管接到芯片地（PGND-HS）。  

D4的稳压值选择取决于驱动负压大小。SiC MOSFET典型关断负压为-5V，因此D4稳压值的选取5V，例如VISHAY PTV4.7B（D0-220A封装，Vz=5V)。根据稳压管推荐的反向工作电流来计算限流电阻R1和R2。选取I_z=40mA，那么R1//R2=（25V-5V）/40mA=500 ohm。经计算R1和R2消耗功耗0.8W，可以选取两个1Kohm/1W SMD电阻（封装为2512）并联。

▲图2 负压关断驱动电路（方案一）  

在某些应用场景下，辅助电源无闭环电压控制，VDD1电源瞬态过压很高。这种工况下限流电阻和稳压管的功耗需要仔细核算，避免器件过热损坏。  

图2的驱动方案中，VDD1辅助电源一旦有输出，负压VDD2瞬间就可以建立。换而言之，负压VDD2可以在PWM驱动信号使能之前建。因此，SiC MOSFET的每个开关周期都是负压关断，驱动可靠。  

图3的驱动电路方案二是利用电容C1实现负压关断。C1比SiC MOSFET输入电容要大很多，以确保最长的关断时间内，C1在放电的情况下仍旧可以提供足够的负压。只有在PWM驱动信号使能条件下，VDD1通过驱动芯片内部上拉管子给C1充电。由于C1两端电压建立需要若干个开关周期。因此，SiC MOSFET在最初始的若干个PMM周期关断负压不足，如图4所示。开关频率越高，C1充电到稳定负压的时间越长，负压关断不足的PWM周期数越多，驱动串扰隐患加剧。

▲图3  负压关断驱动电路（方案二）  

C1电容两端负压建立时间和电压纹波受开关频率和占空比的影响。C1电容增加，电容两端电压纹波减小，可是负压建立时间延长。因此，根据具体开关频率和占空比变化范围，可以优化电容C1和电阻R3，调节充放电时间常数，以平衡负压建立时间和电压纹波两个性能指标。  

基于图3的驱动电路，利用LTspice对电路进行仿真以优化电路参数。栅极驱动信号和C1电压仿真结果如图4和图5所示。在开关频率100KHZ和0.1占空比工况下，电容C1两端负压40us左右（大概5个PWM周期）就建立起来，电容C1在一个开关周期内纹波电压0.1V。总上所述，开关频率过高的时候，电路方案二不建议使用。保持同样100KHz开关频率，当占空比提升到0.9时候，电容C1两端负压3us-4us就建立起来，如图5所示。

▲图4 栅极驱动信号和C1电压仿真结果（开关频率100KHZ，占空比0.1）  

▲图5 栅极驱动信号和C1电压仿真结果（开关频率100KHZ，占空比0.9）  

从两种上述电路负压关断驱动方案的分析对比可知，两种电路方案成本相当，但第一种方案可以实现全PWM开关周期的额定负压关断，在SiC MOSFET驱动中使用更普遍。