【導讀】本文為大家介紹氮化镓 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 等寬帶隙半導體器件用作電子開關的優勢，以及如何權衡利弊。主要權衡因素之一是開關損耗
，開關損耗會被高 di/dt 和 dv/dt fangda
，zaochengdianluzaosheng。weilejianshaodianluzaosheng，xuyaorenzhenkaolvzhajidianzudexuanze

，congerbubiyanchangsiqushijianerzaochenggonglvsunhao。benwenjieshaoxuanzezhajidianzushidekaolvyinsu，rumaichonggonglv
、脈衝時間和溫度、穩定性、寄生電感等。同時，將和大家探討不同類型的柵極電阻及其在該應用中的優缺點。

寬帶隙半導體器件的優勢

設計出色功效的電子應用時，需要考慮使用新型高性能氮化镓 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 技術的器件。與電子開關使用的傳統矽解決方案相比，這些新型寬帶隙技術具有祼片外形尺寸小、導熱和熱管理性能優異、開關損耗低等顯著優勢，非常適合工業、醫療
、通信和車載應用電源、驅動器和逆變器等空間受限的應用。

不過，設計需要考慮一些利弊關係，特別是開關損耗。例如，di/dt 和 dv/dt 提高，開關速度加快
，電路頻率振蕩放大，使噪聲成為重要考慮因素。

電路設計中的考量因素

典型電路功能中，高邊 (HS) 和低邊 (LS) MOSFET 用作開關器件驅動電感負載。在 HS 開關導通，LS 開關關斷時，電流從電源 V_cc 流向電感器 L_o。反之，在 HS 開關關斷，LS 開關導通時
，電感器電流繼續從接地端同步流向 L_o。導通/關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)由(you)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)定(ding)義(yi)
，柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)柵(zha)極(ji)回(hui)路(lu)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)。開(kai)關(guan)時(shi)間(jian)和(he)相(xiang)關(guan)損(sun)耗(hao)取(qu)決(jue)於(yu)柵(zha)極(ji)電(dian)容(rong)通(tong)過(guo)柵(zha)極(ji)電(dian)流(liu)充(chong)放(fang)電(dian)的(de)速(su)度(du)。柵(zha)極(ji)電(dian)流(liu)受(shou)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)和(he)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)整(zheng)體(ti)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)的(de)影(ying)響(xiang)（圖1a）。

圖1a：柵極驅動電路元件

為了避免同時導通/關斷，需要認真選擇柵極電阻解決方案，如高功率厚膜片式電阻、薄膜 MELF 或高功率背接觸電阻。這類解決方案不需要延長有效轉化為功率損耗的“死區時間”（HS 和 LS 開關導通之間的時間間隔）（圖1b）。

圖1b：同步降壓電路，帶“死區時間”的驅動信號

選擇柵極電阻技術的基本考慮因素主要包括脈衝功率
、脈衝時間和溫度以及穩定性。使用兩個柵極電阻時，通常建議導通柵極電阻值至少是關斷柵極電阻值的兩倍（圖1c）。重要的是注意關斷柵極電阻值，避免漏極（或 IGBT 情況下，集電極）電壓上升發生寄生導通。

圖1c：基礎柵極電路(獨立導通和關斷)

同(tong)時(shi)
，還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)，阻(zu)值(zhi)過(guo)高(gao)或(huo)過(guo)低(di)都(dou)會(hui)發(fa)生(sheng)損(sun)耗(hao)或(huo)振(zhen)蕩(dang)。柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)要(yao)求(qiu)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)短(duan)時(shi)間(jian)高(gao)峰(feng)負(fu)載(zai)，平(ping)均(jun)功(gong)耗(hao)隨(sui)頻(pin)率(lv)和(he)占(zhan)空(kong)比(bi)而(er)增(zeng)加(jia)。在(zai)功(gong)能(neng)上(shang)，電(dian)阻(zu)能(neng)夠(gou)對(dui)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)放(fang)電(dian)並(bing)進(jin)行(xing) Miller 充電。減小電壓過衝可以降低器件和驅動器的應力，減小寄生電感可以避免開關過程產生 V_GS 振蕩。 

為了盡量減少電路中的噪聲，縮短布線長度（減小寄生電感）很重要。因此，通常首選打線或表麵貼裝柵極電阻。采用 IGBR 打線電阻的情況下，背接觸具有優異導熱性

，並最大限度減小器件與 PCB 之間的熱梯度。在連接
、外形尺寸和燒結能力方麵，IGBR 電(dian)阻(zu)在(zai)打(da)線(xian)連(lian)接(jie)
，小(xiao)尺(chi)寸(cun)以(yi)及(ji)燒(shao)結(jie)能(neng)力(li)方(fang)麵(mian)的(de)綜(zong)合(he)性(xing)能(neng)可(ke)以(yi)讓(rang)其(qi)更(geng)靈(ling)活(huo)地(di)內(nei)置(zhi)於(yu)高(gao)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)模(mo)塊(kuai)或(huo)封(feng)裝(zhuang)。這(zhe)樣(yang)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)在(zai)布(bu)局(ju)上(shang)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)部(bu)分(fen)寄(ji)生(sheng)元(yuan)件(jian)
，有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)電(dian)路(lu)噪(zao)聲(sheng)。

柵極電阻的選型建議

柵極電阻涵蓋多種技術解決方案
，包括高功率厚膜片式電阻 (a)、薄膜 MELF 電阻 (b) 和額定功率達 4 W 的薄膜襯底電阻 (c)。柵極電阻選型的其他考慮因素包括元件尺寸、精度
、可靠性、元件與 PCB 之間的熱性能以及並聯寄生電感。

圖2. 柵極電阻類型

柵極電阻的阻值 (R_G) 通常為 1 Ω  至 100 Ω 之間。選擇較低的 R_G 值可以減少器件功耗 (E_ON, E_OFF)，但也會導致驅動電流增加。寬帶半導體器件上升時間短
，因此還要考慮柵極電阻的 RF 影響，平衡開關損耗與 EMI（電磁幹擾）性能。如想減少 EMI，可使用更高阻值的電阻，延長開關上升時間，但這自然會增加開關損耗。

根(gen)據(ju)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)感(gan)和(he)負(fu)載(zai)，不(bu)同(tong)電(dian)阻(zu)技(ji)術(shu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)最(zui)大(da)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)也(ye)是(shi)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)，因(yin)為(wei)開(kai)關(guan)過(guo)程(cheng)會(hui)出(chu)現(xian)電(dian)壓(ya)脈(mai)衝(chong)。通(tong)過(guo)考(kao)慮(lv)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)，可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)適(shi)用(yong)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，滿(man)足(zu)功(gong)效(xiao)
、可靠性和降噪方麵的特定要求。

為滿足瞬態的高峰電流(可達到兩位數電流) 和高頻 (有時甚至瞬間達到 MHz )的要求
，工作溫度對電阻就顯得尤為重要。高溫會造成阻值漂移並且漂移會隨著時間增加。阻值的長期穩定性由器件結構決定。

例如
，與片式電阻的矩形電阻區域相比

，MELF 電阻的圓柱體電阻區域麵積擴大了 π 倍，可顯著提高抗脈衝性能。NiCr 之類穩定薄膜材料也具有出色的抗脈衝負載性能。在空間受限的設計中，電源開關的相對位置很重要
，因為熱量可從電源開關流入 PCB，從而影響柵極電阻的工作溫度。

如果您想充分利用寬帶隙半導體器件的功效優勢，需要考慮柵極電荷 Qx、開關頻率、驅(qu)動(dong)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)時(shi)開(kai)關(guan)的(de)高(gao)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)具(ju)體(ti)要(yao)求(qiu)，設(she)計(ji)最(zui)佳(jia)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。正(zheng)確(que)選(xuan)擇(ze)具(ju)有(you)相(xiang)應(ying)技(ji)術(shu)和(he)器(qi)件(jian)結(jie)構(gou)的(de)低(di)阻(zu)值(zhi)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)對(dui)於(yu)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)電(dian)路(lu)效(xiao)率(lv)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

作者介紹

Jorge Lugo  Vishay 高級市場開發經理

Andrew Mason  Vishay 高級產品市場經理

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