SiC 驱动新突破：米勒钳位 + 负压自举供电方案

碳化硅场效应晶体管（SiC MOSFET）以其高速开关特性，在降低开关损耗方面表现卓越，目前正加速在各行业应用中渗透。不过，其器件特性带来的高 dV/dt（电压变化率），容易引发寄生开通风险，这已成为各行业应用设计中需要重点解决的核心难题。

本篇应用笔记聚焦自举供电场景，着重介绍一种 SiC MOSFET 的可靠驱动方案。该方案将简易负压生成电路与具备米勒钳位功能的驱动芯片相结合，省去了专门的负压隔离电路设计。这不仅简化了驱动电路架构，还显著减小了 PCB 布板面积，有效降低了系统成本。

负压供电的主流方案比较

负压关断是避免 SiC MOSFET 误导通的常见方式，为栅极驱动芯片提供负压供电主要有两种方式。一是通过隔离变压器产生独立的辅助电源，如图 1 所示。

图1:通过隔离变压器生成 VEE 的典型拓扑

二是在 SiC MOSFET 的驱动回路上串联稳压管、电容、电阻等元器件，通过正常发波动作直接产生负压。其原理如下：负压生成电路由驱动电阻 Rg、负压支撑电容 Cneg、负压钳位稳压管 Dz、电流控制电阻 Rc 组成，其中控制电阻 Rc 直接并联于 SiC MOSFET 的 GS 之间，如图 2 所示。

图2:负压生成电路的基本拓扑

在芯片内部置高时，内部 PMOS 将芯片 VDD 短接至芯片 OUT。此时，VDD 通过驱动电阻 Rg、稳压管 Dz 与控制电阻 Rc 线路形成电流，Dz 需维持其在该电流下的钳位电压，Cneg 的 B - A 间将形成负压 Vneg，SiC MOSFET 的栅极电压值则为 VDD - |Vneg|，如图 3 所示。

图3:负压生成电路置高时的工作原理

置低时内部 NMOS 将芯片 GND 短接至芯片 OUT 输出。此时，Cneg 的 A 点通过芯片内部短路 MOS 对接至了 SiC MOSFET 栅极的负端，即 C 点。此时 SiC MOSFET 的栅极电压等于 Cneg 的 B - A 点间电压，即负压 Vneg，如图 4 所示。

图4:负压生成电路置低时的工作原理

这种负压生成电路正常发波就能使 SiC MOSFET 负压关断，可用于低成本的自举供电。一个经典的通过自举方式在高低边产生负压的拓扑如图 5 所示。

图5:一个典型的自举供电加负压生成电路的拓扑

与使用隔离变压器方式生成负压相比，这个简易负压生成电路优势明显：一是省却了隔离变压器的单独供电回路，有效降低了系统成本；二是省却了占板面积较大的变压器等元器件，有利于实现更紧凑的布板设计。但在一些高 dv/dt 应用场景，如果 SiC MOSFET 仅采用负压关断仍存在应用风险，此时有必要将米勒钳位功能与负压关断相结合，以实现最可靠的驱动方案。

有源米勒钳位功能介绍

SiC MOSFET 由于米勒效应造成寄生导通的机理是，在本管闭合时，对管开通，本管 DS 间的电压瞬变通过 Cgd 会对栅极 GS 间造成浪涌电流。由于本管所串联的栅极驱动电阻影响，使得 SiC MOSFET 的栅极电压瞬态越过了开通阈值，造成误开通可能。

有源米勒钳位功能原理如图 6 所示，芯片判断出本管闭合状态下（监测 CLAMP 与 VEE 管脚间电压低于 V_THR），会将栅极驱动电阻 R1 通过内部 MOS 短路，使得 SiC MOSFET 栅极的 GS 间阻抗极大降低，最终使浪涌电流造成的栅极电压摆幅明显降低。

图6:有源米勒钳位工作原理

米勒钳位叠加负压关断的典型应用

图 7 展示了使用纳芯微低边驱动芯片 NSD1015MT 与隔离驱动芯片 NSI6601ME 芯片组合而成的半桥拓扑的典型驱动电路，该电路将有源米勒钳位引脚连接到稳压二级管的阳极，从而与负压生成电路叠加使用，可最大程度实现 SiC MOSFET 的可靠关断，并适用于各类反激、半桥、全桥等电源拓扑。

图7:负压生成电路在半桥应用的典型拓扑

NSI6601ME 是最新一代集成米勒钳位功能的隔离驱动，具备出色的驱动性能和抗干扰能力。NSD1015MT 是单通道低边驱动，除有源米勒钳位外还具备 DESAT 功能，可为 SiC MOSFET 提供快速短路保护；故障上报引脚可向 MCU 实时反馈欠压、过流等故障信息，同时内部集成 5V LDO 输出，可以为系统内其他芯片供电。需要注意的是，对 3.3V 的 PWM 信号输入，NSD1015MT 需要前置一个缓冲器芯片将信号转至 5V。

米勒钳位叠加负压关断的效果

为对比 SiC MOSFE 在高速开关下，驱动走线距离、负压关断、米勒钳位等影响因素对米勒效应的影响，本文采用同样的驱动电阻大小（10 欧姆），同款 SiC MOSFET 进行对比测试。

该 SiC MOSFET 的栅极开通阈值 Vth 为最低 2V，栅极电压最大安全工作区为 - 5V 至 22V，即栅极过冲电压过高有误开通的风险，过低有损坏栅极的风险。下表是采用双脉冲测试，观测对管开关时，保持关断状态的 SiC MOSFET 的栅极过冲情况汇总。

表 1 栅极驱动典型配置对比

考虑到不同厂家不同型号的 SiC MOSFET 米勒比存在一定差异，同样条件下实测的米勒峰值电压可能也会不同。从上表中可以得出如下结论：

(1).栅极驱动回路的 layout 走线长度在 SiC MOSFET 的米勒效应影响中占据非常大的权重。无论是负压还是有源米勒钳位功能，在驱动回路走线很长的情况下，都很难使其过冲保留在栅极安全工作电压范围内。因此在 SiC MOSFET 应用中，应尽量实现良好的驱动回路 layout 设计，如图 8 所示。

图8:PCB layout 长引线（左）与短引线（右）的对比示意

(2).在驱动回路走线良好的情况下，如果仅采用负压关断，由于米勒效应造成的正向震荡尖峰幅值会降低，可以避免寄生导通；但由于震荡摆幅仍然很大，会造成负向震荡尖峰超出安全工作电压范围。

(3).有源米勒钳位功能可以极大抑制米勒效应造成的栅极电压摆幅，如果仅使用有源米勒钳位功能与零压关断，在驱动回路走线良好的情况下可以做到正向震荡尖峰不超过 SiC MOSFET 开通阈值，达到临界安全工作状态。

(4).最佳方案是有源米勒钳位功能与负压关断措施同时使用，米勒钳位使得对管动作所造成的摆幅将被极大降低，同时负压的引入又能够将寄生上冲至开通阈值电压 Vth 的安全裕量控制于希望的位置，两者结合的效果将大于仅使用其中一种。由如图 9 实测波形亦可以看出，若仅有负压，对管开通时依然有误开通风险，对管关断时产生的负压应力也更大。而同时施加了负压加米勒钳位功能后，效果远比单一措施更好。

图9:仅有负压（红）与负压加米勒钳位（绿）的实测波形对比

左图为对管开通时的波形，右图为对管分断时的波形

负压生成电路中的选型计算

根据上述分析，采用图 7 所介绍的自举驱动方案，将有源米勒钳位和负压关断电路相结合，可实现对 SiC MOSFET 的可靠驱动。以下将对一个典型的负压生成电路做选型计算，以实现将栅极驱动的正压维持于 18V，负压维持于 - 3V 左右的设计目标。

稳态正负电压值的设定

图 7 中的 Rc 即可控制 Vneg 的负压具体值。可通过型号稳压管对应的曲线来控制所需要稳定的负压。如使用图 10 中 2V7 型号的稳压管，想控制其电压于 - 2.7V，可看到其对应的 Iz 电流为 5mA。

图10:稳压二极管典型正向特性图

对于 VDD = 21V 的电源电压，SiC MOSFET 的栅极正压会是 Von = VDD - |Vneg| = VDD - Vz = 21V - 2.7V = 18.3V。根据图 2 原理，可令控制电阻 Rc = Von / Iz = 18.3V / 5mA = 3700 Ohm。即 Rc 为 3700 欧姆时，可令负压维持在 - 2.7V。

由于在每个功率管的开关周期，负压值会跳变，从而产生负压的纹波。如果 Cneg 的容值为 SiC MOSFET 的栅极电容量的 N 倍，则该跳变可估算为 VDD / N。即 N 越大，跳变越可被忽略。也就是说，此 Cneg 本身的容值越大，功率管开关所造成的纹波也就越小，一般推荐该 N 值大于 250。

负压建立时间估算

根据前述原理易知，只有在驱动芯片置高时才可以建立负压。驱动芯片输出置低时将维持该负压值。当置高时，VDD通过控制电阻Rc向Cneg充电至钳位电压Vz，负压达到稳定。即通过电流ic= (VDD-|Vneg|)/Rc为Cneg充电至Vneg，于是充电时间可表示为：t=|Vneg|*Cneg/ic 。对于刚才的设定，如果Cneg设定为1uF，则将Cneg从0V充电至-2.7V的电流为5mA，时间为2.7V*1uF/5mA=540us 。

在实际应用中，建议采用第一个 PWM 输出常高的方式为电容预充电，在负压稳定建立后再正常发波。

小占空比的稳态负压

在每个开关周期内，驱动芯片输出置高时负压电容被充电，驱动芯片输出置低时负压电容被放电。当占空比足够小时，芯片输出置高时Von为Cneg充电速度无法覆盖Voff时的放电速度，此时设定的Vneg会产生偏移，最终|Vneg|将维持在VDD*D伏（开通周期与关断周期达到安秒平衡后可有Von*D=|Vneg|*(1-D)，结合Von+|Vneg|=VCC，化简后可得|Vneg|=VDD*D） 。

如5%占空比时，Vneg负压的值将无法维持于-2.7V，将会维持在-1V左右 。由于该电路是将米勒钳位和负压关断叠加使用，因此-1V的关断负压仍然可以实现SiC MOSFET比较安全的关断。

结语

本文通过将驱动芯片的有源米勒钳位功能和简易负压关断电路结合，设计了一种适用于自举供电的 SiC MOSFET 可靠驱动方案。文中介绍了这个方案的基本原理、主要指标的设定方法以及关键器件的选型方法，同时通过实验比较展示了方案的优势。

本方案介绍的简易负压关断电路可以实现自举供电，相比隔离供电产生负压，在简化设计和降低成本方面都有很大收益。

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