一、前言
自从第三代半导体问世以来，第三代半导体正日益成为当今科技领域的热门话题，其在高速运算、能源效率和高频通信等领域展现出了巨大的应用潜力。随著这一新兴技术的快速发展，我们迫切需要对其性能进行全面的评估和测试，以确保其在实际应用中能够达到预期的效果。 本文旨在讨论SiC MOSFET的特点及其对闸极Gate驱动电路的要求，并提供onsemi安森美半导体的SiC MOSFET驱动方案，期让研发工程师能在设计电路多一种选择。
二、MOSFET 功率元件的损耗(Loss) 来源
(图一) 系说明以半桥Half Bridge (HB) 为拓朴并使用SiC MOS为功率元件的电路，主要功耗(Total Power Loss) 是由导通损失(Conduction Losses) 及切换损失(Switching Losses)所组成，其中MOSFET的导通损失与MOSFET 导通电阻Rds_on有关，切换损失是与MOSFET 的Qg , Qrr , Ciss , Rg , Eon , Eoff..等参数有关。
图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
三、开关类型Switching Type：驱动闸极选择Drive Gate Selections
(图二) 是针对不同功率元件如纯Si MOS , IGBT & SiC MOS的最佳驱动电压说明：
- 纯Silicon MOS，Gate Driver 电压由0V 到10V切换，可以得到最佳效率。
- IGBT 的Gate Driver 电压由0V到15V 切换，可以得到最佳效率。
- SIC MOS 的Gate Driver 电压由 -3V 到+18V 切换，可以得到最佳效率。
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
(图三) 系说明SiC MOS 在不同的Gate Drive 电压条件下，在效率的表现：
- 当Gate Driver 电压为0V到 +15V切换时，SiC MOS 是正常可以动作，但效率并非等同纯Silicon MOS的Rds_on 表现， 通常会比同样的Rds_on 纯 Silicon MOS来得差。
- 当Gate Driver 电压提高为0V到 +18V切换时，效率表现会比 0V到+15V时好，主要是导通损失Conduction Losses 会减少25%，EON Losses 亦会减少25%，EOFF Losses 减少3% 。
- 当Gate Driver 电压由-3V到 +18V切换时，效率表现又会比 0V到+18V时好，主要是EOFF Losses 减少25%，这是来自于负的驱动电压让SiC MOS 关断较完整所致。
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
五、负驱动电压(Negative Bias)对EOFF 切换损失的影响
(图四)是以安森美NTH4L022N120M3S SiC MOSFET为例，说明提供-3V Vgs 电压与0V Vgs时在EOFF Switching Losses 可以降低约100uJ的损耗。
-
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
六、SiC MOSFET导通Turn ON说明：如(图五)
-
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
七、SiC MOSFET导通Turn OFF说明：如(图六)
-
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
八、驱动电流iG的计算(一阶近似)
(图七)系说明驱动电流iG与QG(TOT) 还有开关速度之间的关系，是初阶非精准计算，在选用Gate Drive IC及SiC MOS 时可以参考，以安森美NCP51561 Gate Driver IC 与NTH4L022N120M3S 的规格书为例，可以找到此参数之间的关联。
-
- 图片来源：onsemi 网站 作者：Bob Card
九、结论
MOS的驱动电压高低会影响性能表现，尤以现在最热门的SiC 碳化硅MOS对驱动电压的要求会比纯硅Silicon MOS更高，未来的设计趋势将会统一驱动电压规格，这也意谓SiC MOS会渐渐取代传统纯硅MOS在高效率高功率电力转换的应用市场。