【導讀】SiC MOSFET 在功率半導體市場中正迅速普及，因為它最初的一些可靠性問題已得到解決，并且價位已達到非常有吸引力的水平。隨著市場上的器件越來越多，必須了解 SiC MOSFET 與 IGBT 之間的共性和差異，以便用戶充分利用每種器件。本系列文章概述了安森美 M 1 1200 V SiC MOSFET 的關鍵特性及驅動條件對它的影響，作為安森美提供的全方位寬禁帶生態系統的一部分，還將提供 NCP51705（用于 SiC MOSFET 的隔離柵極驅動器）的使用指南。本文為第三部分，將重點介紹NCP51705 SiC 柵極驅動器的使用指南。
NCP51705 是一種 SiC 柵極驅動器，具有高度的靈活性和集成性，使其與市場上的任何 SiC MOSFET 完全兼容。如圖 32 所示，NCP51705 頂層框圖包括通用柵極驅動器常見的許多基本功能，包括：
1. 高達 28 V 的 VDD 正電源電壓
2. 高峰值輸出電流（6 A 源極和 10 A 漏極）
3. 內部 5 V 參考電壓可用于偏置 5 V、高達 20 mA 的低功率負載（數字隔離器、光耦合器、μC 等）
4. 分離信號，電源接地
5. 分離源極和漏極輸出引腳
6. 內部熱關斷保護
7. 分離非反相和反相 TTL、PWM 輸入
圖 32：NCP51705 SiC 柵極驅動器框圖
此外，NCP51705 具備使用最少的外部組件設計可靠的 SiC MOSFET 柵極驅動電路所必需的幾個獨特特性（在 TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅動部分的開頭列出）。NCP51705 獨特特性的優點將在下一節詳細介紹。
過電流保護 ? DESAT
NCP51705 DESAT 功能的實現只需使用兩個外部組件。如圖 33 所示，通過 DESAT 引腳的 R1 和 D1 監測 SiC MOSFET, Q1 的漏極-源極電壓。
圖 33：NCP51705 DESAT 功能
在 Q1 關斷期間，漏極-源極端子可能出現幾百伏電壓。一旦 Q1 導通，漏極-源極電壓迅速下降，預計在不到幾百納秒的時間內就會發生從高電壓到接近零電壓的轉變。在導通轉換期間，DESAT 信號前沿被一個 500 納秒計時器消隱，該計時器由一個 5?Ω 的低阻抗下拉電阻組成。這使 VDS 有足夠的時間下降，同時確保 DESAT 不會意外激活。500 納秒過后，DESAT 引腳被釋放，200?μA 電流源通過 R1、D1和 SiC MOSFET 導通電阻提供恒定電流。在導通時間內，如果 DESAT 引腳上升到 7.5 V 以上，則 DESAT 比較器輸出會升高，從而觸發 RS 鎖存器的時鐘輸入。這種故障將逐個周期自動終止 Q_NOT 輸出的后沿。SiC MOSFET 的柵極驅動因此有效地減少了與去飽和故障時間成比例的時間量。
200?μA 電流源足以確保 D1 的可預測正向壓降，同時也使 R1 的壓降能夠在 SiC MOSFET 導通期間獨立于 VDS。如果需要，可通過將 DESAT 引腳接地來禁用 DESAT 保護。相反，如果 DESAT 引腳處于浮動狀態，或者 R1 無法打開，則流經 20?kΩ 電阻器的 200?μA 電流源在 DESAT 比較器的非反相輸入端施加恒定的 4 V 電壓。這種情況基本上禁用了 SiC MOSFET 的柵極驅動。一些應用可能傾向于使用電流檢測變壓器來檢測漏極電流，并從外部驅動 DESAT 引腳。在這種情況下，NCP51705 包括一個 IC 金屬選件，用于移除 20?kΩ 電阻器，使 DESAT 引腳可以用作傳統的逐脈沖、過電流保護功能。
DESAT 引腳上的電壓 VDESAT 由公式（1）確定為：
為 ID 分配最大值（留出額外的設計裕度）后，選擇 R1 和 ID，使 VDESAT < 7.5 V。重新排列公式（1）并求解 R1 得出：
除了設置允許的最大 VDESAT 電壓外，R1 還具有限制通過 D1 結電容的瞬時電流的雙重目的。因為 SiC MOSFET 上的漏電壓 dV/dt 極高，如果 R1 的大小不合適，通過 D1 的 p?n 結電容的電流可能會變得非常高。因此，應優先選擇具有最低結電容的快速高壓二極管。R1 的典型值將接近 5 kΩ< R1 < 10 kΩ 的范圍，但這會根據所選 SiC MOSFET 的 ID 和 RDS 參數而發生變化。如果 R1遠小于 5 kΩ，進入 DESAT 引腳的瞬時電流可能為數百毫安。相反，如果 R1 遠大于 10 kΩ，則 RC 延遲為 R1 和 D1結電容的乘積。延遲可為 100 μs 量級，從而導致應對 DESAT 故障的額外延遲時間。
充電泵 – VEE (VEESET)
NCP51705 使用單一的正電源電壓運行。從單一 VDD 電源電壓運行意味著必須從柵極驅動器 IC 產生負 VEE 電壓。使用開關電容充電泵是產生所需負 VEE 電壓軌的必然選擇。構建充電泵有許多不同的選擇。主要挑戰是在瞬態條件下保持準確的電壓調節，以一定的頻率開關以減小電容，并最大限度地減少外部組件數量，從而降低成本并提高可靠性。
從圖 34 所示的充電泵功能框圖可以看出，只需三個外部電容即可建立負 VEE 電壓軌。充電泵功率級基本上由兩個 PMOS 開關和兩個 NMOS 開關組成，這些開關以橋式結構排列。
圖 34：NCP51705 VEE 充電泵
如圖所示，外部飛跨電容 CF 連接在橋的每個支路的中點之間。開關時序，每當兩個上部 PMOS 器件同時導通時，CF 會出現 VDD。同樣，每當兩個下部 NMOS 器件同時導通時，CF 會出現 ?VEE。開關頻率在內部設置為 390 kHz，兩個上部 PMOS 器件與兩個下部 NMOS 器件異步切換。290 kHz 的 IC 金屬選件也可用于需要較低充電泵開關頻率的應用。
VEE 被調節到在 VCH設置的電壓，該電壓由 VEESET 可編程的內部低壓降穩壓器 (LDO) 電壓決定。VEESET 上的電壓會改變內部 LDO 看到的增益 (GLDO)。如果 VEESET 保持浮動狀態（建議使用從 VEESET 到 SGND 的 100?pF 旁路電容），則 VEE 設置為在 ?3 V 下調節。對于 ?5?V VEE 電壓，VEESET 引腳應直接連接到 V5V（引腳 23）。如果 VEESET 連接到 9 V 和 VDD 之間的任何電壓，則 VEE 被箝位并設置為以 ?8 V 的最小充電泵電壓進行調節。當 VDD > 7.5 V 時，充電泵啟動，VEE 電壓軌包括一個內部固定的 UVLO，設置為編程 VEE 值的 80%。由于 VDD 和 VEE 均由獨立的 UVLO 電路監控，NCP51705 足夠智能，可以在兩個電壓軌都在特定 SiC MOSFET 負載的安全范圍內時實現。
或者，通過完全禁用充電泵，可以實現 0 V < OUT < VDD 開關。當 VEESET 連接到 SGND 時，充電泵被禁用。當充電泵被禁用且 VEE 直接與 PGND 相關聯時，輸出在 0 V < OUT < VDD 之間切換。需要注意的是，每當 VEESET 與 SGND 相關聯時，VEE 必須與 PGND 相關聯。在此工作模式期間，內部 VEE UVLO 功能也相應禁用。
另一種可能的配置是禁用充電泵，但允許使用外部負 VEE 電壓軌。此選項允許 –VEE < OUT < VDD 切換，因為充電泵未切換，所以在 IC 功耗方面略有節省。當 VEESET 連接到 SGND 時，外部負電壓軌可以直接在 VEE和 PGND 之間連接。請注意，由于 VEESET 為 0 V，內部 VEE UVLO 被禁用，因此 NCP51705 不知道 VEE 電壓水平是否在預期范圍內。
這種簡單的 VEESET 調整能夠使用最少的外部組件實現最高程度的靈活性，同時滿足最廣泛的 SiC MOSFET 電壓要求。為了方便起見，表 2 中總結了 VEESET 的可配置性。
表 2：半導體材料屬性
可編程欠壓鎖定 ? UVSET
用于柵極驅動器 IC 的 UVLO 對于保護 MOSFET 至關重要，其工作原理是禁用輸出，直到 VDD高于已知閾值。這不僅可以保護負載，而且可以向控制器驗證施加的 VDD電壓高于導通閾值。由于與 SiC MOSFET 相關的低 gm值，最佳 UVLO 導通閾值并非“一刀切”。如果允許驅動器輸出在較低的 VDD 下切換，可能對某個 SiC MOSFET 不利，但根據散熱、冷卻和 VDD 啟動時間，對另一個 SiC MOSFET 而言可能是可接受的。最佳 UVLO 導通閾值也會根據 VDD 電壓軌的導出方式而發生變化。一些電源系統可能有一個專用的偏壓電源，而其他系統則可能依賴于類似于圖 36 的 VDD 自舉技術。
NCP51705 通過可編程 UVLO 導通閾值解決了這一需求，該閾值可通過 UVSET 和 SGND 之間的單一電阻器設置。如圖 35 所示，UVSET 引腳由 25?μA 電流源內部驅動，串聯增益為 6。
UVSET 電阻器 RUVSET 根據公式（3）中定義的所需 UVLO 導通電壓 VON 進行選擇。
圖 35：NCP51705 UVSET 可編程 UVLO
VON 值通常由 SiC MOSFET 輸出特性曲線決定，如 TND6237/D 圖 1 中突出顯示的曲線。由于 SiC MOSFET 的導通電阻顯著增加，即使 VGS 略有降低，允許的 UVLO 滯后必須很小。因此，NCP51705 具有固定的 1?V 滯后，因此關斷電壓 VOFF 始終比設置的 VON 低 1 V。
對于包含專用偏壓電源的電源，假設在電源系統因故障恢復而啟動軟啟動或重啟之前，VDD 高于所需 VON閾值。對于此類系統，需要具有 1?V UVLO 滯后，并且不會因啟動注意事項而產生任何影響。然而，一些電源系統從高電壓開始，然后依賴于自舉繞組的 VDD，如圖 36 所示。
圖 36：PWM 自舉啟動示例
圖中顯示了具有高電壓 (HV) 啟動能力以及 VON = 17 V 和 VOFF= 9 V 的固定 UVLO 閾值的 PWM 控制器。施加 HV 時，當 HV = VON = 17 V，內部通道開關打開，PWM 控制器從 CVCC 汲取啟動電流。在此期間，CVCC 正在放電，Q1必須開始切換，以在變壓器自舉繞組中建立電壓。這對可從 RUVSET 編程的允許 VON 施加了限制。UVSET 必須設置為小于 PWM 控制器的 UVLO VON 的值。圖 37 進一步說明了這些啟動細節，其中 PWM 電壓閾值顯示為藍色，NCP51705 顯示為紅色。
圖 37：自舉啟動時序
為了切換具有最高 VGS 的 SiC MOSFET，需要將 VON設置為盡可能接近 PWM 控制器的 UVLO 導通。在這樣做時所進行的權衡意味著在 Δt (t2?t1) 期間 ΔV = 1 V。CVCC 的放電非常淺，因此需要較大的電容值。例如，假設啟動電流為 1 mA，Δt = 3 ms 且 ΔV = 1 V，則需要用于 CVCC 的 3?μF 電容。相反，如果 VON 設置為比最小自舉放電電壓 VBOOT(MIN) 高 1 V，則允許 CVCC 在更寬的 ΔV (17 V ? 11 V) 范圍內放電，并且可以使用更小的電容值。給定相同的 1 mA，Δt = 3 ms 且允許 ΔV = 6 V，所需的 CVCC 電容值降低至 500 nF；減少了 6 倍。然而，由于 SiC MOSFET 將在 VGS = 11 V 的情況下切換，因此所產生的影響可能很大。顯然，在啟動前將 NCP51705 偏置是首選方法。
數字同步和故障報告 – XEN
XEN 信號是 VGS 反相的 5 V 數字表示。為了報告驅動器“狀態”，PWM 輸入被認為更準確，因為它來自 SiC 柵極電壓，傳播延遲大大減少。此信號可以在半橋電源拓撲中用作故障標志和同步信號，為實施交叉傳導（重疊）保護打下基礎。每當 XEN 為高、VGS為低時，則 SiC MOSFET 為關斷狀態。因此，如果 XEN 和 PWM 輸入信號均為高，則檢測到故障狀態，并進行數字分配，以采取可能需要的任何預防措施。
封裝
WBG 半導體使高壓轉換器能夠在更接近低壓（低于 100 V）開關頻率的情況下工作。對于低壓轉換器而言，半導體封裝的發展對當今開關性能的實現起到了關鍵作用。硅 MOSFET 封裝取得了進步，例如雙面冷卻、夾焊、熱增強功率封裝和低電感、無引線封裝。同樣，柵極驅動器 IC 封裝也“瘦身”明顯。更短的管芯到引線、鍵合線連接，加上模制無引線封裝 (MLP)，對于最大限度地減少驅動器側的寄生電感至關重要。驅動器和 MOSFET (DrMOS) 共封裝是減少寄生電感、提高效率和縮小電路板面積的最新步驟。DrMOS 等改進所涉及的電壓相當低，因此可以實現。
在高壓轉換器領域，爬電距離和電氣間隙等最小間距要求使得高性能 SiC MOSFET 依然采用低性能 TO?220 型和 TO?247 型封裝。這些封裝已經十分完善，長期以來一直是行業標準。它們非常適合工業應用，堅固且易于散熱，但其長引線和內部鍵合線導致寄生電感更高。SiC MOSFET 現在使這些寄生電感受到熱應力、頻率和 dV/dt 速率的影響，以前在高壓硅晶體管中，這是從未設想到的。可以說，SiC 促進了對高壓分立封裝的重新思考。
盡管分立組件并非如此，但 SiC 柵極驅動器能夠充分利用與低壓轉換器驅動器相同的封裝改進。NCP5170 管芯封裝成 24 引腳、4 × 4 mm、熱增強 MLP，如圖 38 所示。
圖 38：NCP51705 24 引腳、4 4 mm、MLP 封裝和引腳輸出
所有高電流電源引腳都翻倍，位于 IC 的右半部分。此外，每個翻倍引腳都通過內部雙鍵合線連接到管芯，以實現盡可能最低的電感。所有低功耗數字信號僅為單引腳，位于 IC 的左半部分，為 PWM 或數字控制器提供了方便、直接的接口。
NCP51705 封裝的底部包括一個電絕緣、導熱、暴露的焊盤。該焊盤未連接到 PGND 或 SGND，但會通過熱通孔連接到隔離銅 PCB 焊盤進行散熱。
如果散熱成為一個問題，應特別注意四個主要的功耗因素：
1. 與驅動外部 SiC MOSFET 相關的 OUTSRC 和 OUTSNK 損耗。這些是與開關頻率成比例的柵極電荷相關損耗。降低開關頻率將降低功耗
2. VDD和 V5V 之間的 LDO，能夠提供高達 20 mA 的電源。切勿加載超過數字隔離器或光耦合器偏壓的 V5V
3. VDD 和 VCH 之間的 LDO，這是內部充電泵的一部分
4. 內部充電泵電源開關，可禁用并用外部負偏壓替換，如充電泵–VEE (VEESET) 一節所述
系統性能
對于 VDD> 7 V，靜態電流線性緩升，直至超過設置的 UVLO 閾值。圖 39 所示的藍色跡線表示 VDD 與 IDD，無輸入（非開關），VDD(UVLO)= 12 V，V5V 調節器無負載。對于 7 V < VDD < 22 V，IDD 測量為 0.6 mA < IDD< 2.3 mA。當 VDD 超過 UVLO 閾值時，中間的平坦線表示 IDD 電流增加約 ~1?mA。
紅色跡線表示在禁用內部充電泵的同時向 IN+ 施加 100 kHz、50% 脈沖輸入的情況。使用 4.99 Ω + 2.2 nF 負載，這是典型 SiC MOSFET 的等效輸入。外部源極和漏極電阻為 3Ω。對于 12 V < VDD < 22 V，IDD 測量為 3.7 mA < IDD < 5.5 mA。
圖 39：VDD 與 IDD，非開關與開關
圖 40 所示的啟動波形顯示了 VDD 之前出現的 IN +。VDD 從 0 V 上升至 20 V，UVSET = 2 V（未顯示），相當于 VDD(UVLO) = 12 V。VEE 被設置為在 ?5 V 調節，VEESET = V5V（未顯示），相當于 VEE(UVLO) = ?4 V。當 VEE = ?4 V 時，輸出便會啟用，即使 VDD > 12 V (VDD= 15 V)。還要注意，在近 100 μs 的時間內，OUT (VGS) 小于 20 V。根據 VDD 啟動的 dV/dt 速率，該時間可能更長，因此，在編程 UVSET 時應考慮 SiC MOSFET 的熱應力。
圖 40：CH1?IN+，CH2?VDD，CH3?OUT，CH4?VEE；VDD(UVLO) = 12 V，VEE(UVLO) = ?4 V
圖 41 中顯示了相同的啟動波形，但 UVSET = 3 V（未顯示），相當于 VDD(UVLO) = 18 V。在這種情況下，當 VDD = 18 V 時，OUT (VGS) 便會啟用，即使 VEE < ?4 V (VEE= ?5 V)。哪個 UVLO 占優勢取決于 VDD 與 VEE 的 dV/dt 速率。關鍵點是 NCP51705 輸出被禁用，直到 VDD 和 VEE 都高于或低于各自的 UVLO 閾值。與圖 40 相比，請注意較高的 UVLO 設置對 OUT (VGS) 的影響，其中第一個 OUT 脈沖出現在 20 V 和 ?5 V 附近。
圖 41：CH1?IN+，CH2?VDD，CH3?OUT，CH4?VEE；VDD(UVLO) = 18 V，VEE(UVLO) = ?4 V
NCP51705 內部充電泵有一個緩慢的控制回路，其效果可從 VEE 啟動期間觀察到的輕微下沖和 <400 μs 校正中看出，如圖 42 所示。超過 400 μs 時，VEE 電壓穩定至 ?3 V、?5 V 或 ?8 V 的調節設定值。
圖 42：VEE 啟動
關機操作平穩，無毛刺。如圖 43 所示，OUT 停止切換并跟蹤卸載的 VEE。VEE 從 ?5 V 到 0 V 的放電時間約為 300 ms。
圖 43：CH1?IN+，CH2?VDD，CH3?OUT，CH4?VEE；關機
圖 44 顯示了圖 43 中時間基準的放大圖。UVSET 被配置為 3 V (VDD(UVLO) = 18V)，內部 VDD UVLO 滯后在內部固定為 1 V。當輸出被禁用時，光標位置顯示 VDD = 17 V（18 V?1 V 滯后），即使 VEE= ?4.5 V (VEESET = V5V)，并且根據其 ?4 V UVLO 仍處于活動狀態。盡管 VDD 的衰減很慢，但在 UVLO_OFF 之后，也可以看到最后一個輸出脈沖的終止很干凈，沒有雜散脈沖或毛刺。
圖 44：CH1?IN+，CH2?VDD，CH3?OUT，CH4?VEE；關機，VDD_UVLO(OFF) = 17 V
導通傳播延遲的測量范圍從 90% IN+ 上升至 10% OUT 上升。盡管 SiC 驅動器將在更高的 VDD 下工作，但大多數 MOSFET 傳播延遲被指定為切換到 VDD = 12 V 的 1?nF 負載。
圖 45 顯示了在這些標準測試條件下測得的導通傳播延遲為 19 ns。
圖 45：CH1?IN+，CH2?VDD，CH4?OUT；上升沿傳播延遲
同樣，關斷傳播延遲的測量范圍從 10% IN+ 下降至 90% OUT 下降。圖 46 顯示了在相同標準測試條件下測得的關斷傳播延遲為 22 ns。每個邊緣的輸出上升和下降時間約為 5 ns。
圖 46：CH1?IN+，CH2?VDD，CH4?OUT；下降沿傳播延遲
DESAT 和 XEN 波形分別如圖 47 和圖 48 所示。由于測試僅用于 IC 驗證（無功率級），因此將 100?pF 固定電容連接到 DESAT 引腳。圖 47 所示的波形表明 DESAT 低于 7.5 V 閾值，輸出在正常操作下切換。如果 IN+ 頻率降低（導通時間增加），則 100?pF DESAT 電容將可以充電至更高的電壓。如圖 48 所示，DESAT 電壓已達到 7.5?V 閾值。輸出后沿在輸入電壓切換為低之前終止。DESAT 小斜坡用于強調終止的 OUT 脈沖上沒有出現毛刺的事實。在開關電源應用中，DESAT 引腳上可以使用小型 (<100 pF) 外部電容進行高頻噪聲濾波。
XEN 信號與 OUT 信號相反。無論驅動器是正常運行還是面臨 DESAT 故障，XEN 信號都能準確跟蹤任一情況下的反向 OUT 信號。
圖 47：CH1?IN+，CH2?OUT，CH3?DESAT，CH4?XEN；VDESAT < 7.5 V
圖 48：CH1?IN+，CH2?OUT，CH3?DESAT，CH4?XEN；VDESAT = 7.5 V
應用
SiC MOSFET 可以適用于目前使用 IGBT 的各種應用場景。一些較常見的用途包括高壓開關電源、混合動力和電動汽車充電器、電氣化鐵路運輸、焊機、激光器、工業設備及其他注重高溫操作的環境。尤其值得一提的兩個領域是太陽能逆變器和高壓數據中心。更高的直流電壓有利于減小線規厚度、接線盒、互連，并最終最大限度地減少傳導損耗，從而提高效率。目前，大多數大型光伏系統均采用 1?kV 直流總線，未來趨向于采用 1.5?kV 總線。同樣，使用 380?V 配電網絡的數據中心可以將直流電壓提升至 800 V。
NCP5170 的幾個基本應用示例如下所示。
1.低壓側開關
圖 49 顯示了用于低壓側開關應用的 NCP51705 的頂層示意圖。未顯示隔離，因此控制器和驅動器之間為直連接口，但情況并非總是這樣。此示意圖旨在說明，要提供全功能、可靠和穩健的 SiC 柵極驅動電路，只需甚少的外部組件。還應提及，盡管只需要單一 VDD 電壓軌，但其額定值應至少為 50 V/ns，以防止TND6237/D 中的分立 SIC 柵極驅動一節中的分立柵極驅動說明所述的雜散電流脈沖。如果 VDD 電壓軌由專用輔助電源提供，則應特別注意設計具有超低一次-二次雜散電容的變壓器。
圖 49：低壓側開關示例
2.半橋概念
在半橋電源拓撲中可以找到 SiC MOSFET 更現實的用途，如圖 50 所示。高功率應用傾向于在高壓側和低壓側都使用隔離驅動器。這意味著需要兩個數字隔離器。根據跨越隔離邊界的 IO 的量，此類應用的二次側控制可能存在很大爭議。在這個簡化示例中，In+ 和 In-（啟用）是來自數字控制器的僅有的兩個信號，XEN 從 NCP51705 讀取。XEN 可以作為開發柵極驅動時序、交叉導通預防、死區時間調整和故障檢測的時序信息基礎。此外，溫度感測、熱管理（風扇控制）和更高級別的故障響應也可以由數字控制器完成。NCP51705 的 V5V 可用于為每個數字隔離器的二次側供電，如圖 50 所示。
圖 50：半橋概念
3.準諧振 (QR) 反激式
使用 NCP1340B1 控制器和 NCP51705 SiC 驅動器設計了一個 100?W 的 QR 反激式轉換器，可在 300 V < VIN< 1 kV 的寬輸入范圍內工作。此類轉換器常見于光伏和工業應用，但當基于 IGBT 功率級時，開關頻率在 65 kHz 的范圍內。圖 51 所示的示意圖為 QR 反激式，在 VIN = 300 V 時，頻率在 377 kHz < FS < 430 kHz 之間變化，負載從 100% 到 25% 不等。
圖 51：1000 V 至 24 V、100 W、400 kHz、QR 反激式
4.QR 反激式
對于 VIN= 300 V，漏極-源極電壓波形是輸入電壓和反射輸出電壓之和。圖 52 所示的波形突出顯示了在全占空比操作 (VIN= 300 V) 下運行的轉換器，其中 720 V 出現在 SiC MOSFET 的漏極-源極上。VDS 上升過渡約為 30 ns，相當于 dVDS/dt = 24 V/ns。NCP1340B1 QR 控制在 VDS 下降沿實現軟諧振過渡和谷值開關（在最小 VDS 諧振時“接近 ZVS”導通），這在藍色波形上清晰可見。由于 QR 反激式是僅限低壓側的應用，并且 dVDS/dt 下降沿為諧振，因此 SiC MOSFET 可能在 0 V < VGS < 20 V 之間可靠切換。盡管如此，圖 51 所示的設計選擇在 ?5 V < VGS < 20 V 之間切換，從而在增加柵極電荷的輕微代價下，實現更穩健的切換。
圖 52：CH3 = VDS，CH4 = VGS；VIN = 300 V，VOUT = 24 V，IOUT = 4 A，FS = 377 kHz
通用 NCP5170 客戶 EVB
通用評估板 (EVB) 旨在評估 NCP51705 在新設計或現有設計中的性能。EVB 不包括功率級，不專用于任何特定拓撲，由此可見它是通用的。它可用于任何低壓側或高壓側電源開關應用。對于橋接配置，可以在圖騰柱型驅動配置中的每個 SiC MOSFET 處使用這些 EVB 中的兩個或以上。EVB 可被視為隔離器 + 驅動器 + TO?247 分立模塊。EVB 示意圖如圖 53 所示。
重點是提供一種超緊湊的設計，其中 TO?247 SiC MOSFET 的引線可以直接連接到印刷電路板 (PCB)。圖 54 同時顯示了相鄰 TO?247 封裝旁邊的 EVB 的頂視圖和底視圖進行尺寸縮放。
圖 53：NCP5170 Mini EVB 示意圖
圖 54：NCP5170 Mini EVB – 頂視圖 (35 mm x 15 mm)
當安裝到現有電源設計中，并且 TO?247 前面有可用的 PCB 區域時，EVB 可以水平安裝到主電源板上，如圖 55 所示。如果可能，這應該是首選的安裝方法。
圖 55：水平 EVB 安裝
如果主電源板上的大型組件妨礙水平安裝，則第二種選擇是垂直安裝 EVB，使其與 T0?247 封裝平行或略微傾斜。由于驅動器與 TO?247 漏極接頭發出的高 dV/dt 非常接近，因此不太傾向于采用這種方式安裝。在任何一種情況下，TO?247 封裝的后接頭都保持暴露狀態，如有必要，可將其連接到散熱器上。有關安裝和操作詳細信息，請參見 EVB 用戶指南。
圖 56：垂直 EVB 安裝
EVB 最初配置為接受正輸入邏輯的 PWM 信號（連接到 GND1 的 IN?）。但如果需要，IN? 可輕松用作主動啟用或重新配置為反相輸入邏輯。驅動器輸出預配置為 0 V < VOUT < VDD 開關。所有連接和電阻器占位符都可用于為 ?3 V、?5 V 或 ?8 V VEE開關重新配置 VEESET。最后，UVSET 選項被預編程為 17?V 導通操作，這被認為是 SiC MOSFET 的安全級別。
參數性能
使用眾所周知的雙脈沖測試平臺對 MOSFET 和 IGBT 進行參數化表征。雙脈沖測試方法基本會向被測器件 (DUT) 低壓側 SiC MOSFET 的柵極-源極施加兩個脈沖。DUT 被插入到與圖 57 所示的鉗位電感開關電路相連的插座中。
圖 57：雙脈沖測試電路和波形
調整第一個脈沖的導通時間，以獲得所需的峰值漏極-源極電流。電感器很大，關斷時間足夠短，因此 IL1 在關斷續流期間幾乎保持恒定。因此，第二個更短的脈沖以相同的漏極-源極電流幅度施加。該測試方法可精確控制 ID 和 VDS，這是建立動態開關、參數性能以及對器件進行基準測試所必需的。
雙脈沖測試方法也可用于表征柵極驅動器性能。在SiC、DUT固定的情況下，當U1成為新的"DUT"時，可以對各種柵極驅動電路進行表征。在圖53和圖54所示的NCP5170 EVB和圖58所示的簡單光耦合器柵極驅動電路之間，對dV/dt和dI/dt開關性能進行了比較。
圖 58：FOD8384 SiC 光耦合器柵極驅動電路
FOD8384 光耦合器驅動器能夠承受高達 30 V 的 VDD 偏壓，因此非常適合?5 V < VGS< 20 V 開關。與圖 58 中的示例類似，FOD8384 驅動器不是完整的 SiC MOSFET 柵極驅動電路。因此，由于兩種電路的特性沒有可比性，測試結果和比較僅限于動態開關。
圖 59 和圖 60 分別顯示了兩種電路的上升和下降 VGS 波形，以供比較。兩種電路都使用了 1 Ω 的源極和漏極柵極電阻。這些柵極驅動邊緣被顯示為驅動 1.2 kV、SiC MOSFET，VDS 上顯示 600 V，流過 ID 的電流為 30 A。NCP51705、VGS 上升沿在 ?5 V < VGS < 10 V 時表現為純電阻，然后在 10 V < VGS < 20 V 時為電容性 RC 充電。這顯示了 NCP51705、6 APK 的源電流與 FOD8384 的 1 APK 源電流的比較情況。NCP51705 的 VGS 上升時間為 37.5 ns，而 FOD8384 開關在相同測試條件下則為 57.6 ns。同樣，NCP51705 的 VGS 下降時間為 25.2 ns，而 FOD8384 則為 34.5 ns。
圖 59：VGS 上升沿比較
圖 60：VGS 下降沿比較
設計良好的柵極驅動器 IC 包括低源極和漏極阻抗，使得 SiC MOSFET 漏極可以由柵極精確控制。其次，最大限度地降低驅動器輸出阻抗對于允許 SiC MOSFET 達到最高自然 dV/dt 至關重要。SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值與 RLO + RGATE + RGI 成反比。當 RLO 高于必要值時，SiC MOSFET 的自然 dV/dt 限值降低。這使得器件更容易受到 dV/dt 引起的導通的影響，并限制了通過選擇 RGATE 可以實現的 dVDS/dt 控制量。圖 61 所示的 NCP51705 VDS 波形揭示了改變 RGATE 即可實現的高度 dVDS/dt 控制。對于 RGATE = 1 Ω，dVDS/dt = 72 V/ns。將 RGATE 從 1 Ω 增加到 15 Ω 會使 dVDS/dt 從 72 V/ns 降低到 68 V/ns。這表明，如果需要，可以使用高得多的 RGATE 來逐步降低 dVDS/dt。
圖 61：NCP51705 VDS 上升沿，可變柵極電阻
使用 FOD8384 光耦合器柵極驅動器完成了相同的實驗。從圖 62 所示的波形中發現，RGATE 從 1 Ω 變成 15 Ω 導致 dVDS/dt 速率變化超過 2:1。由于 FOD8384 驅動器輸出阻抗更高，dVDS/dt 控制更受 RGATE 較小變化的影響。此外，請注意，NCP51705 的 dVDS/dt 上升相對而言更為線性。
圖 62：FOD8384 VDS 上升沿，可變柵極電阻
圖 63 所示的波形比較了在 RGATE = 1 Ω 的情況下，從 ?5 V < VGS < 20 V 切換相同負載的每個驅動器的 VDS。dVDS/dt 速率在 72 V/ns 與 64 V/ns 時表現相當。NCP51705 表現出更好的阻尼和更低振幅的振鈴。
圖 63：VDS 上升沿比較，1 Ω 柵極電阻
NCP51705 實現 dVDS/dt 控制的另一種方式是通過改變 VEE 的負振幅電平。這可以通過根據表 2 配置 VEESET 引腳或使用施加到 VEE 的外部負 DC 電源來實現。圖 64 中的波形顯示了當 VEE 在 ?6 V < VEE < 0 V 之間變化時 dVDS/dt 的變化。請注意在 0 V < VGS < 20 V 時低 VDS 下的強拐點和電容特性。這是因為 SiC MOSFET 的一些剩余柵極電荷沒有完全關斷，并突出了在關斷期間驅動 VGS 負極的重要性。
圖 64：NCP51705 VDS 上升沿，可變 VEE
圖 65 所示的漏極電流測量是使用 Pearson 電流探頭進行的。NCP51705 電流在 dID/dt = 3.2 A/ns 時下降，但與 FOD8384 驅動電路相比，表現出的振鈴較少。NCP51705 更快的 dID/dt 與圖 60 所示的 VGS 下降沿波形密切相關。
圖 65：ID 下降沿比較
雙脈沖測試方法是傳統上用于表征分立功率半導體器件的動態開關性能的測試程序。由于在導通和關斷期間可以精確控制施加的 VDS 和初始 ID，該測量技術已被證明是表征箝位電感開關應用電路中柵極驅動器 IC 性能的可靠方法。
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