数明半导体SiLM27531H栅极驱动器在碳化硅器件中的应用

碳化硅 MOSFET 凭借显著的开关性能优势，在许多大功率应用中得到青睐。然而它的特性要求栅极驱动电路有较高要求，以优化碳化硅器件的开关性能。尽管碳化硅 MOSFET 并非难以驱动，但许多常见的驱动器可能会导致开关性能下降。

SiLM27531H 栅极驱动器所具备的特性和参数，是其能够在推荐的最佳驱动配置下驱动碳化硅 MOSFET。本文主要阐述了碳化硅MOSFET 的特性，低边高速驱动芯片SiLM27531H 的特点及在碳化硅 MOSFET 中的应用，并展示了相关电路的测试结果。

概述

SiLM27531H在碳化硅器件中的应用

在大功率电力电子领域，传统绝缘栅双极型晶体管（IGBT）虽具备耐受 1kV 高压及大电流的能力，但因关断过程中存在显著的电流拖尾效应，导致关断损耗较高，典型开关频率被限制在 20~30kHz。相比之下，宽禁带碳化硅（SiC）MOSFET 凭借优异的开关性能可显著提升系统开关频率，进而提高能量转换效率。尽管碳化硅器件单体成本较高，但通过缩减变压器、电容等外围元件体积及降低系统整体空间需求，可实现总成本优化。此外，传统硅 MOSFET 的耐压能力通常不超过 900V，而高于该电压等级的低导通阻抗硅 MOSFET 在市场上或稀缺或成本高昂，进一步凸显了碳化硅 MOSFET 的应用价值。

宽禁带碳化硅 MOSFET 特点及 SiLM27531H 的技术优势

与传统硅 MOSFET 相比，碳化硅 MOSFET 具有如下显著的性能优势以及驱动需求特点 ：

1. 导通与耐压特性：

具备更低的导通阻抗和更高的耐压等级，可在高压大功率场景下实现低损耗运行。

2. 开关速度优势：

器件寄生电容极低且开关过程中电荷转移量少，开关速度远高于硅。

3. 高温稳定性：

在最高结温条件下，导通电阻增幅远低于硅 MOSFET，漏源极漏电流变化幅度小，高温环境下性能稳定性更优。

4. 栅极电压需求：

跨导相对较低，需更高栅源电压以实现低漏源极饱和电压。硅 MOSFET 通常在 8~10V 栅源电压下即可达到理想饱和状态，而碳化硅 MOSFET 则需 15~20V 正向栅源电压。

5. 阈值与负偏置需求：

导通阈值电压与硅 MOSFET 相当或更低，导致其在可变电阻区工作时栅源电压变化范围更大。由于开关速度快，关断过程中漏源电压高变化率易通过漏栅电容产生米勒效应，若未施加负栅源电压且驱动布局未优化，可能使栅极电压达到导通阈值引发误导通。因此，碳化硅 MOSFET 通常需 - 2V 至 - 5V 的关断驱动电压。

SiLM27531H 是一款单通道栅极驱动器，可实现可靠的低边碳化硅 MOSFET 驱动，主要有以下关键性能优势：

1. 供电电压裕量充足：

碳化硅 MOSFET 推荐正向驱动电压 18V、负压驱动电压 - 3V 至 -5V，对应驱动电路所需电压可能需要 23V 以上。考虑偏置容差及瞬态干扰余量，则需要更高的供电电压。SiLM27531H 额定工作电压高达 30V，可以为驱动电压优化提供充足冗余空间。

2. 独立驱动配置：

采用开通与关断引脚分离设计，可分别设置最优导通与关断栅极电阻。相比单引脚输出驱动器需通过并联电阻与二极管组合实现的方案，该设计消除了二极管压降影响，在关断过渡过程中可将栅源电压可靠钳位至低电平，同时简化电路设计。

3. 驱动电流能力：

碳化硅 MOSFET 在可变电阻区栅极电压摆幅大，快速通过该区域可缩短达到最低漏源饱和电压的时间；同时，关断时需驱动芯片具备足够灌电流能力以钳位栅源电压。另外，并联碳化硅 MOSFET 的应用中，需要的驱动电流更大。SiLM27531H 的驱动电流高达 5A 的性能可满足上述双重需求。

4. 欠压保护机制：

欠压锁定阈值为 13.5V，支持通过外部电路调整欠压阈值或利用 EN 控制引脚设定正常工作范围，可配合系统时序控制及电源电压故障监测，确保功率回路在驱动偏置正常后启动。

下图是 SiLM27531H 的典型应用图。

图1.SiLM27531H 驱动 MOSFET 的典型应用图

应用SiLM27531H实现碳化硅MOSFET驱动方案

由于碳化硅 MOSFET 驱动关断电压需要负电压偏置，如图2.所示，将 SiLM27531H 的供电低电平偏置后驱动关断电平即可获得负电压 VNEG，其中负电平 VNEG 和系统地的偏置电压通过 4.7V 稳压管和分压电阻实现。

SiLM27531H 的输入信号一般从系统 MCU 输出提供，而系统 MCU 地和 SiLM27531H 的 VNEG 地并不一致，所以 MCU 的输出驱动电平需经电平转换后传递至 SiLM27531H 实现正常输入。

主功率回路采用 Boost 升压拓扑，通过调节驱动输入的导通时间与开关频率，确保功率器件工作于预设状态。

图 2.SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驱动中的试验原理图

SiLM27531H驱动碳化硅 MOSFET 试验结果

碳化硅 MOSFET 采用英飞凌的 IMBG120R116M2H, 测试过程中通过调节驱动参数，获得瞬态试验波形如下：

CH1: VGS CH2: VDS

图 3. SiLM27531H 的开通波形

碳化硅 MOSGET开通特性：当开通电阻 RON=100Ω 时，开通速度适中（约 200ns），驱动电压 VGS 波形呈现明显的米勒平台，整体波形稳定无异常扰动（图3.所示）

CH1: VGS CH2: VDS

图 4. SiLM27531H 的关断波形

碳化硅 MOSFET 关断特性：设置关断电阻 ROFF=50Ω 时，关断过程中漏源电压 VDS 无显著过冲，波形平滑稳定，验证了驱动参数配置的合理性（图4.所示）

SiLM27531H 驱动碳化硅 MOSFET 的设计注意事项

驱动电源设计要点

碳化硅 MOSFET 驱动开通电压通常需要18V 电压，而关断的电压需要 -4.7V，此时驱动电压的高电平 VDD 与负电压 VNEG 绝对值之和则为 18V+4.7V=22.7V，这样可利用一路 22.7V的直流隔离电源供给 SiLM27531H 即可实现低边碳化硅 MOSFET 负电压关断和高电压开通，注意这路电源需和系统地实现电气隔离。另外，也可以分别用两路隔离电源提供 18V 和 -4.7V，以获得更稳定的电源性能。

驱动输入信号处理

采用简单的开关分立器件电路实现电平转换（如图2.所示）可实现输入不同电压域的信号转换，MCU 的输出信号电压为 0~3.3V，经过 PFET 器件电路转换输出需要考虑器件开通关断带来的信号延时问题。减少下拉电阻R1和上拉电阻R2可以减少信号延时，但同时会带来整体功耗增加。SiLM27531H 的 EN 输入信号如果也需要从 MCU 侧输入，则也需要类似的电平转换电路进行转换实现。另外，虽然 SiLM27531H 的 UVLO 的阈值为 13.5V，但是在此应用中，由于 VNEG 和系统地相差 4.7V，实际的 UVLO阈值对系统地则为 13.5-4.7=9.8V。如需实现实时可靠的信号传输，可以考虑数字隔离器的方式。

并联碳化硅 MOSFET 的设计要点

碳化硅 MOSFET 经常需要通过并联使用以提升电流容量，并联的核心是“对称”和“匹配”。但是碳化硅 MOSFET 器件的高频特性和寄生参数敏感性，使得并联驱动设计比硅器件更复杂，主要是要实现碳化硅 MOSFET 器件的开关过程与导通稳态的电流均衡，避免单器件过流损坏。使用单一驱动器给多颗碳化硅 MOSFET 器件驱动可以实现驱动信号的统一，一致，达到并联均衡电流的效果，但这需要驱动器的驱动电流足够大，以保证驱动多颗碳化硅 MOSFET 器件。SiLM27531H 高达 5A 的驱动电流能力很好满足这个需求。另外，在并联驱动设计中，分别配置每颗碳化硅 MOSFET 的驱动导通电阻和关断电阻也有助于减少器件间栅极的寄生电感和电容引起的震荡，保证每颗碳化硅 MOSFET 器件导通瞬间和关断瞬间尽可能一致，如图2. 所示。

电路布局设计要点

碳化硅 MOSFET 的高速开关特性对栅极驱动电路的布局设计提出严苛要求，需最大限度降低驱动回路寄生电感以避免性能退化。SiLM27531H 采用小尺寸封装设计，且开通与关断驱动分别配置独立引脚，可实现紧凑、简洁的布局方案，典型布局示例如图 5所示。为了提高电路性能和稳定性，其中 SiC 功率管的 Sense 线与 Source 线分开走线，以便减少寄生电感，提高检测精度，实现 Kelvin 连接。

图 5.SiLM27531H 驱动和碳化硅 MOSFET 布局示意图

总 结

碳化硅 MOSFET 在高压、大功率场景中展现出卓越的开关性能，但其性能充分发挥依赖于高性能栅极驱动电路及优化的布局设计。由于碳化硅 MOSFET 对负向关断驱动偏置电压的需求及更高的最佳正向栅源电压，其驱动电路的电源电压需求高于传统硅 MOSFET 驱动器。SiLM27531H 的 30V 额定工作电压为驱动电平优化提供了充足裕量，有效应对偏置电压容差及线路瞬态干扰。

针对碳化硅 MOSFET 快速开关带来的挑战，SiLM27531H 通过独立驱动引脚设计、充足驱动电流能力及优化的布局适配性，可有效抑制米勒效应导致的误导通风险，加速栅源电压转换以降低可变电阻区损耗，并在开关瞬态过程中维持 VGS 稳定性。同时，利用简单可靠的电平转换电路可以解决输入电平不一致问题。试验结果验证了 SiLM27531H 在碳化硅 MOSFET 驱动应用中的可靠性与性能优势，为高压大功率碳化硅系统设计提供了高效解决方案。