利用集成负偏压来关断栅极驱动在设计电动汽车、不间断电源、工业驱动器和泵等高功率应用时，系统工程师更倾向于选择碳化硅(SiC)MOSFET，因为与IGBT相比，SiC技术具有更高的效率和功率密度。为了保持整体系统高能效并减少功率损耗，为SiC MOSFET搭配合适的SiC栅极驱动器可谓至关重要。
本文将阐述系统能效的重要性，并简要说明SiC栅极驱动器的选择标准，包括SiC功耗、SiC导通和关断基本原理以及如何减少开关损耗。此外，我们将介绍首款集成负偏压的3.75 kV栅极驱动器NCP(V)51752。
一、能效提升，毫厘必争
当谈到功率损耗管理时，对于数十千瓦到上兆瓦的高功率应用来说，哪怕是一丝一毫的效率提升都非常重要。例如，若100W应用的能效达到 95%，则需通过散热策略处理的功耗仅有 5 W。对此，可能添加一个散热片或一个风扇就已经足够。但以相同能效运行的 350 kW 应用会产生 17.5 kW 的功耗，这就需要投入大量工程资源和成本来优化散热策略，此外还会对碳足迹产生负面影响。
二、减少功率损耗
SiC的总功率损耗本质上是导通损耗与开关损耗的总和。当 SiC MOSFET 完全导通时，SiC导通损耗主要由 I2R 决定，其中I是漏极电流 (ID)，R是RDSON，即SiC MOSFET完全导通时漏极至源极电流路径的电阻。系统工程师可以通过选择RDSON较低的SiC MOSFET、并联配置多个SiC MOSFET(或同时使用两种方法)，将导通损耗降至超低水平。
SiC开关损耗比较复杂，会受到总栅极电荷(QG(TOT))、反向恢复电荷(QRR)、输入电容(CISS)、栅极电阻 (RG)、EON损耗和EOFF损耗等参数的影响。
三、总栅极电荷 QG(TOT)
总栅极电荷QG(TOT)表示栅极驱动器为完全导通或关断 MOSFET 而注入栅极电极的电荷量，单位为库仑。通常，QG(TOT)与RDSON 成反比。因此，当系统工程师选择低RDSON的SiC MOSFET来降低高功率应用中的导通损耗时，栅极驱动拉电流(导通)和灌电流(关断)的要求会相应增加。
要降低系统设计的开关损耗相当具有挑战性，因为一方面，需要尽快导通和关断以尽可能减少开关损耗;但另一方面，开关速度提高可能会引发不必要的电磁干扰 (EMI)，而且预期的关断过程中还可能出现危险的寄生导通意外，尤其是在半桥拓扑中。
四、导通和关断
为了操作MOSFET并开始导通，须将一个电压施加于栅极端子(相对于源极端子)。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。栅极驱动器通过拉电流或灌电流来导通或关断功率器件。为此，栅极驱动器需要对功率器件的栅极充电，直至达到导通电压VGS(ON)，或者驱动电路使栅极放电至达到关断电压VGS(OFF)。为了实现两个栅极电压电平之间的转换，栅极驱动器、栅极电阻和功率器件之间的环路中会产生一些功耗。
图1：栅极驱动器的 MOSFET 驱动导通/关断操作和电流路径
如今，低功率和中功率应用的高频转换器主要使用功率 MOSFET。不过，栅极驱动器不仅适用于 MOSFET，还非常适合门道精深的新型宽禁带器件，如SiC MOSFET和GaN(氮化镓)MOSFET。当需要更高的驱动电流快速导通/关断电源开关时，SiC MOSFET 是目前性能表现较佳的器件。
五、寄生导通
由于di/dt非常高，当栅极驱动器达到最小栅源电压时，可能会出现严重的振铃。PCB 布局与封装引起的寄生电容和电感进一步加剧了这种情况，导致关断时产生电感冲击。这些电感冲击可能会无意中使得电压达到 VGS(TH)，导致在预期关断期间意外导通，从而引发灾难性后果。
这里以半桥应用为例。当低边开关关断，而高边开关即将导通时，若电感冲击导致电压达到 VGS(TH)，低边开关便可能会意外导通，从而造成高边和低边开关同时导通，产生击穿电流。这可能会造成高压轨接地直接短路，从而导致 MOSFET 损坏。解决该问题有一个非常有效的方法，就是在关断时将电压摆幅降至0V以下(至-3V甚至-5V)，从而给出一些余量或裕度，以防意外电感冲击让电压达到 VGS(TH)。
六、开关损耗
图2中的图表给出了负偏压关断的第二个优点，即减少了EOFF开关损耗。图中，x 轴表示从0V到-5V的负偏压关断电压，y轴表示开关损耗(µJ)。事实上，在驱动安森美(onsemi)专为高开关频率应用而设计的第二代“M3S”系列SiC MOSFET时，通过将关断电压从0V降至-3V，开关损耗最多可减少100 uJ。EOFF从0V时的350µJ降至-3V负偏压关断时的250µJ，由此令EOFF损耗减少25%。请记住，每一毫厘进步都意义非凡！
图2：负栅极偏压(来源：AND90204/D)
七、利用集成负偏压来关断栅极驱动
安森美提供多种高电压、高功率隔离式SiC栅极驱动器，能够在关断期间支持“外部负偏压”，让系统向栅极驱动器提供-3V或-5V电压以生成负摆幅。
NCP(V)51752是一个内置负偏压的新型隔离式 SiC 栅极驱动器系列。由于 NCP(V)51752 内置了负偏压，系统不必向栅极驱动器提供负偏压轨，因而能够节省系统成本。
NCP(V)51752有以下四种微调选项可供选择。其他选项可视需求提供。
NCP51752CDDR2G：工业级，欠压锁定：12V，负偏压：-5V
NCP51752DBDR2G：工业级，欠压锁定：17V，负偏压：-3V
NCV51752CDDR2G：汽车级，欠压锁定：12V，负偏压：-5V
NCV51752CBDR2G：汽车级，欠压锁定：12V，负偏压：-3V
八、结论
NCP(V)51752是3.75kV、4.5A/9A的单通道SiC栅极驱动器，支持电气隔离(输入至输出)，集成负偏压：
1、减轻在预期关断期间意外导通的风险；
2、将EOFF开关损耗降低25%；
3、节省系统成本。
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