利用集成負偏壓來關斷柵極驅動在設計電動汽車、不間斷電源、工業驅動器和泵等高功率應用時，系統工程師更傾向於選擇碳化矽 (SiC) MOSFET，因為與 IGBT 相比，SiC 技術具有更高的效率和功率密度。為了保持整體系統高能效並減少功率損耗，為 SiC MOSFET 搭配合適的 SiC 柵極驅動器可謂至關重要。
本文將闡述系統能效的重要性，並簡要說明 SiC 柵極驅動器的選擇標準，包括 SiC 功耗、SiC 導通和關斷基本原理以及如何減少開關損耗。此外，我們將介紹首款集成負偏壓的 3.75 kV 柵極驅動器 NCP(V)51752。
本文將闡述系統能效的重要性，並簡要說明 SiC 柵極驅動器的選擇標準，包括 SiC 功耗、SiC 導通和關斷基本原理以及如何減少開關損耗。此外，我們將介紹首款集成負偏壓的 3.75 kV 柵極驅動器 NCP(V)51752。
能效提升，毫釐必爭
當談到功率損耗管理時，對於數十千瓦到上兆瓦的高功率應用來說，哪怕是一絲一毫的效率提升都非常重要。例如，若 100 W 應用的能效達到 95%，則需通過散熱策略處理的功耗僅有 5 W。對此，可能添加一個散熱片或一個風扇就已經足夠。但以相同能效運行的 350 kW 應用會產生 17.5 kW 的功耗，這就需要投入大量工程資源和成本來優化散熱策略，此外還會對碳足跡產生負面影響。
減少功率損耗
SiC 的總功率損耗本質上是導通損耗與開關損耗的總和。當 SiC MOSFET 完全導通時，SiC 導通損耗主要由 I2R 決定，其中 I 是漏極電流 (ID)，R 是 RDSON，即 SiC MOSFET 完全導通時漏極至源極電流路徑的電阻。系統工程師可以通過選擇 RDSON 較低的 SiC MOSFET、並聯配置多個 SiC MOSFET（或同時使用兩種方法），將導通損耗降至超低水平。
SiC 開關損耗比較複雜，會受到總柵極電荷 (QG(TOT))、反向恢復電荷 (QRR)、輸入電容 (CISS)、柵極電阻 (RG)、EON 損耗和 EOFF 損耗等參數的影響。
總柵極電荷 QG(TOT)
總柵極電荷 QG(TOT) 表示柵極驅動器為完全導通或關斷 MOSFET 而注入柵極電極的電荷量，單位為庫侖。通常，QG(TOT)與RDSON 成反比。因此，當系統工程師選擇低 RDSON 的 SiC MOSFET 來降低高功率應用中的導通損耗時，柵極驅動拉電流（導通）和灌電流（關斷）的要求會相應增加。
要降低系統設計的開關損耗相當具有挑戰性，因為一方面，需要儘快導通和關斷以儘可能減少開關損耗；但另一方面，開關速度提高可能會引發不必要的電磁干擾 (EMI)，而且預期的關斷過程中還可能出現危險的寄生導通意外，尤其是在半橋拓撲中。
導通和關斷
為了操作 MOSFET 並開始導通，須將一個電壓施加於柵極端子（相對於源極端子）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓並提供驅動電流。柵極驅動器通過拉電流或灌電流來導通或關斷功率器件。為此，柵極驅動器需要對功率器件的柵極充電，直至達到導通電壓 VGS(ON)，或者驅動電路使柵極放電至達到關斷電壓 VGS(OFF)。為了實現兩個柵極電壓電平之間的轉換，柵極驅動器、柵極電阻和功率器件之間的環路中會產生一些功耗。
如今，低功率和中功率應用的高頻轉換器主要使用功率 MOSFET。不過，柵極驅動器不僅適用於 MOSFET，還非常適合門道精深的新型寬禁帶器件，如 SiC MOSFET 和 GaN（氮化鎵）MOSFET。當需要更高的驅動電流快速導通/關斷電源開關時，SiC MOSFET 是目前性能表現較佳的器件。
當談到功率損耗管理時，對於數十千瓦到上兆瓦的高功率應用來說，哪怕是一絲一毫的效率提升都非常重要。例如，若 100 W 應用的能效達到 95%，則需通過散熱策略處理的功耗僅有 5 W。對此，可能添加一個散熱片或一個風扇就已經足夠。但以相同能效運行的 350 kW 應用會產生 17.5 kW 的功耗，這就需要投入大量工程資源和成本來優化散熱策略，此外還會對碳足跡產生負面影響。
減少功率損耗
SiC 的總功率損耗本質上是導通損耗與開關損耗的總和。當 SiC MOSFET 完全導通時，SiC 導通損耗主要由 I2R 決定，其中 I 是漏極電流 (ID)，R 是 RDSON，即 SiC MOSFET 完全導通時漏極至源極電流路徑的電阻。系統工程師可以通過選擇 RDSON 較低的 SiC MOSFET、並聯配置多個 SiC MOSFET（或同時使用兩種方法），將導通損耗降至超低水平。
SiC 開關損耗比較複雜，會受到總柵極電荷 (QG(TOT))、反向恢復電荷 (QRR)、輸入電容 (CISS)、柵極電阻 (RG)、EON 損耗和 EOFF 損耗等參數的影響。
總柵極電荷 QG(TOT)
總柵極電荷 QG(TOT) 表示柵極驅動器為完全導通或關斷 MOSFET 而注入柵極電極的電荷量，單位為庫侖。通常，QG(TOT)與RDSON 成反比。因此，當系統工程師選擇低 RDSON 的 SiC MOSFET 來降低高功率應用中的導通損耗時，柵極驅動拉電流（導通）和灌電流（關斷）的要求會相應增加。
要降低系統設計的開關損耗相當具有挑戰性，因為一方面，需要儘快導通和關斷以儘可能減少開關損耗；但另一方面，開關速度提高可能會引發不必要的電磁干擾 (EMI)，而且預期的關斷過程中還可能出現危險的寄生導通意外，尤其是在半橋拓撲中。
導通和關斷
為了操作 MOSFET 並開始導通，須將一個電壓施加於柵極端子（相對於源極端子）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓並提供驅動電流。柵極驅動器通過拉電流或灌電流來導通或關斷功率器件。為此，柵極驅動器需要對功率器件的柵極充電，直至達到導通電壓 VGS(ON)，或者驅動電路使柵極放電至達到關斷電壓 VGS(OFF)。為了實現兩個柵極電壓電平之間的轉換，柵極驅動器、柵極電阻和功率器件之間的環路中會產生一些功耗。
如今，低功率和中功率應用的高頻轉換器主要使用功率 MOSFET。不過，柵極驅動器不僅適用於 MOSFET，還非常適合門道精深的新型寬禁帶器件，如 SiC MOSFET 和 GaN（氮化鎵）MOSFET。當需要更高的驅動電流快速導通/關斷電源開關時，SiC MOSFET 是目前性能表現較佳的器件。寄生導通
由於 di/dt 非常高，當柵極驅動器達到最小柵源電壓時，可能會出現嚴重的振鈴。PCB 布局與封裝引起的寄生電容和電感進一步加劇了這種情況，導致關斷時產生電感衝擊。這些電感衝擊可能會無意中使得電壓達到 VGS(TH)，導致在預期關斷期間意外導通，從而引發災難性後果。
這裡以半橋應用為例。當低邊開關關斷，而高邊開關即將導通時，若電感衝擊導致電壓達到 VGS(TH)，低邊開關便可能會意外導通，從而造成高邊和低邊開關同時導通，產生擊穿電流。這可能會造成高壓軌接地直接短路，從而導致 MOSFET 損壞。解決該問題有一個非常有效的方法，就是在關斷時將電壓擺幅降至 0V 以下（至 -3V 甚至 -5V），從而給出一些餘量或裕度，以防意外電感衝擊讓電壓達到 VGS(TH)。
開關損耗
圖 2 中的圖表（來源：AND90204/D）給出了負偏壓關斷的第二個優點，即減少了 EOFF 開關損耗。圖中，x 軸表示從 0V 到 -5V 的負偏壓關斷電壓，y 軸表示開關損耗 (µJ)。事實上，在驅動安森美 (onsemi)專為高開關頻率應用而設計的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時，通過將關斷電壓從 0V 降至 -3V，開關損耗最多可減少 100 uJ。EOFF 從 0V 時的 350 µJ 降至 -3V 負偏壓關斷時的 250 µJ，由此令 EOFF 損耗減少 25%。請記住，每一毫釐進步都意義非凡！
安森美提供多種高電壓、高功率隔離式 SiC 柵極驅動器，能夠在關斷期間支持“外部負偏壓”，讓系統向柵極驅動器提供 -3V 或 -5V 電壓以生成負擺幅。
NCP(V)51752 是一個內置負偏壓的新型隔離式 SiC 柵極驅動器系列。由於 NCP(V)51752 內置了負偏壓，系統不必向柵極驅動器提供負偏壓軌，因而能夠節省系統成本。
NCP(V)51752 有以下四種微調選項可供選擇。其他選項可視需求提供。
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NCP51752CDDR2G：工業級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-5V
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NCP51752DBDR2G：工業級，欠壓鎖定：17V，負偏壓：-3V
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NCV51752CDDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-5V
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NCV51752CBDR2G：汽車級，欠壓鎖定：12V，負偏壓：-3V結論
NCP(V)51752 是 3.75kV、4.5A/9A 的單通道 SiC 柵極驅動器，支持電氣隔離（輸入至輸出），集成負偏壓：
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減輕在預期關斷期間意外導通的風險。
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將 EOFF 開關損耗降低 25%。
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節省系統成本。
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