前 言

相較于硅MOSFET和硅IGBT，碳化硅MOSFET具有更快的開關速度、導通電阻更低、開啟電壓更低的特點，越來越廣泛應用于新能源汽車、工業、交通、醫療等領域。在橋式電路中，碳化硅MOSFET具有更快的開關速度會使得串擾行為更容易發生，也會更容易發生誤開通現象，所以如何有效可靠地驅動碳化硅MOSFET至關重要。我們發現，如果在驅動電路中使用米勒鉗位功能，可以有效地抑制碳化硅 MOSFET誤開通的風險，從而提高系統可靠性和穩定性。

為此基本半導體自主研發推出可支持米勒鉗位功能的雙通道隔離驅動芯片BTD25350，此驅動芯片專為碳化硅MOSFET門極驅動設計，能高效可靠地抑制碳化硅MOSFET的誤開通，該驅動芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車載OBC、服務器電源等領域中。

一. 驅動碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能的必要性分析

1.1 在實際應用中，特別是在橋式電路中，功率器件容易發生串擾行為，在串擾行為下，門極電壓會被抬高，一旦門極電壓超過功率器件的開啟電壓，將會使已關閉的功率器件出現誤開通現象，從而造成直流母線短路。為減少誤開通的風險，傳統的硅MOSFET和硅IGBT通常在驅動電路中采取構建負電壓關斷的方法，負壓絕對值越高，抑制誤開通的效果就越好。

如下圖所示硅IGBT的驅動電路中，一般硅IGBT的驅動正電壓是 15V，在關斷期間，串擾電流Igd（紅色線）會流經Ciss, 在關斷電阻Roff和IGBT內部柵極電阻Rg兩端，產生左負右正的電壓，這兩個電壓疊加在IGBT門極，此時IGBT會有誤開通的風險。為防止誤開通，需要采用負電壓關斷，負電壓通常在-8V左右，最高-10V。

1.2 相較于硅IGBT，碳化硅MOSFET 具有開關速度更快、開啟電壓更低、門極耐負電壓能力低等三個特性，使得碳化硅MOSFET更易觸發串擾行為，更加容易發生誤導通風險。

以下表格為硅IGBT/ MOSFET和碳化硅MOSFET的具體參數和性能數值對比。

硅MOSFET和IGBT的門極耐負壓極限可達-30V, 而碳化硅MOSFET只有-8V,   碳化硅MOSFET對驅動電壓負值的忍耐能力明顯低于硅 MOSFET和IGBT，使得碳化硅MOSFET在實際應用中驅動負電壓通常在-2～-4V的水平，使用負電壓進行關斷的幅度明顯少于硅MOSFET和IGBT。

碳化硅MOSFET的開啟電壓Vgs(th)是1.8V～2.7V，比硅MOSFET和IGBT的開啟電壓Vgs(th)要低一半，Vgs(th)越低，越容易誤開通，而且Vgs(th)會隨著TJ溫度上升而下降，所以在高溫時，Vgs(th)將變得更低，也更容易導致誤開通。

同時，碳化硅MOSFET的開關速度是硅MOSFET和IGBT的兩倍以上，而串擾電流Igd=Cgd?（dv/dt），dv/dt越大，Igd越大，越容易誤開通。

綜上所述，碳化硅MOSFET容易發生誤開通現象。為降低誤開通風險，在碳化硅MOSFET的驅動電路中加入米勒鉗位功能顯得尤為重要。如下圖所示，門極驅動芯片的米勒鉗位管腳直接連接到碳化硅MOSFET的門極，串擾電流Igd（如下圖紅線）會流經Ciss→Rg→Q3再到負電源軌，形成了一條更低阻抗的門極電荷泄放回路。驅動芯片內部比較器的翻轉電壓閾值為2V（相對芯片對地電壓），在碳化硅 MOSFET關斷期間，當門極電壓高于2V時，比較器輸出從低電平翻轉到高電平，MOSFET (Q3)被打開, 使得門極以更低阻抗拉到負電源軌，從而保證碳化硅MOSFET的負電壓被更有效關斷，達到抑制誤開通的效果。

二. 驅動碳化硅MOSFET使用米勒鉗位功能實際測試效果

2.1 在雙脈沖平臺進行測試，雙脈沖原理如下圖所示:

2.2 原理圖說明：

上管(B)作為開關管接收脈沖PWM信號，下管(DUT)處于關斷狀態，下管(DUT)靠體二極管續流負載電感Lload的電流。

在上管(B)開通狀態下，下管(DUT)發生串擾行為時，由于米勒現象的存在，門極電壓將會產生一定的波動。因此，我們可以通過觀察下管(DUT)門極電壓的波動大小來判斷米勒鉗位功能的作用。

如圖是驅動電路原理圖，驅動芯片型號為BTD5350MCWR，是一款帶米勒鉗位功能的驅動芯片，碳化硅MOSFET型號為B2M040120Z, 規格1200V/ 40mΩ，封裝TO-247-4。

2.3 雙脈沖測試平臺實測數據對比

2.3.1 測試條件：上管VGS=0V/ 18V；下管VGS=0V；Vbus=800V；ID=40A；

Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

有米勒鉗位功能,上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實測波形可知，當采用0V關斷下管且無米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高到7.3V，下管被誤開通，直流母線短路直通；

當采用0V關斷下管且有米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高2V，下管沒有被誤開通，米勒鉗位功能抑制效果明顯。

2.3.2 測試條件：

上管VGS=-4V/ 18V；

下管VGS=-4V；

Vbus=800V；ID=40A；Rg=8.2Ω；Lload=200uH；TA=25℃。

無米勒鉗位功能，上管dv/dt=14.51V/ns，上管di/dt=2.24A/ns

從實測波形可知，當采用-4V關斷下管且無米勒鉗位時，下管門極電壓被抬高到2.8V，在開啟電壓附近，存在一定的誤開通風險，特別是在高溫時，MOSFET的開啟電壓會降低，將增加誤開通的風險；

當采用-4V關斷下管且有米勒鉗位時，下管門極電壓有被抬高，但下管仍是處于負電壓關斷狀態，米勒鉗位功能抑制效果明顯，MOSFET無誤開通的風險。

三. 帶米勒鉗位的門極驅動芯片產品推薦：BTD25350

BTD25350是基本半導體自主研發、采用電容隔離雙通道帶米勒鉗位，專為碳化硅MOSFET門極驅動而設計的一款驅動芯片。

產品特點

原邊帶使能禁用管腳DIS，死區時間設置管腳DT

共模抑制CMTI可達150kV/μs

副邊帶米勒鉗位功能

輸出峰值電流可達10A

電源全電壓高達33V

原副邊封裝爬電間距大于8.5mm，絕緣電壓可達5000Vrms

副邊兩驅動器爬電間距大于3mm，支持VDC=1850V母線工作電壓

采用SOW-18寬體封裝

副邊電源欠壓保護閾值為8V和11V

應用方向

充電樁中后級LLC用碳化硅MOSFET方案

光伏儲能BUCK-BOOST中碳化硅MOSFET方案

高頻APF用兩電平的三相全橋碳化硅MOSFET方案

空調壓縮機三相全橋碳化硅MOSFET方案

車載OBC后級LLC中的碳化硅MOSFET方案

服務器交流側圖騰柱PFC高頻臂可采用氮化鎵HEMT或碳化硅MOSFET方案

功能框圖

產品列表

結 論

綜上，在驅動碳化硅MOSFET時引入米勒鉗位功能非常必要，采用基本半導體自研的BTD25350MM驅動芯片能夠高效可靠地抑制誤開通，該驅動芯片目前被廣泛應用于光伏儲能、充電樁、車載OBC、服務器電源等領域中。大家在使用碳化硅MOSFET進行方案設計時，為規避誤導通風險，建議選擇BTD25350驅動芯片系列產品。