來源：碳化硅技術(shù)研究

碳化硅MOS驅(qū)動(dòng)電壓選擇15V還是18V，是電力電子設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵權(quán)衡問題。這兩種電壓對(duì)器件的導(dǎo)通損耗、開關(guān)特性、熱管理和系統(tǒng)可靠性有顯著影響。

那為什么有15V和18V兩種驅(qū)動(dòng)電壓呢?他們的差異到底在哪里?今天我們就一起來學(xué)習(xí)一下。

首先是柵極氧化層(Gate Oxide)的電場應(yīng)力差異。SiC MOS的柵氧化層通常采用SiO?，但其臨界擊穿電場強(qiáng)度(約10 MV/cm)遠(yuǎn)低于SiC材料本身(>30 MV/cm)，成為器件可靠性的瓶頸。柵氧厚度：典型值50-100 nm(與硅基MOSFET相當(dāng))，但承受電壓能力不同。

18V驅(qū)動(dòng)的碳化硅MOS，柵極電場強(qiáng)度 ≈ 3.6-7.2 MV/cm(按100-50nm氧化層計(jì)算);15V驅(qū)動(dòng)的碳化硅MOS，柵極電場強(qiáng)度 ≈ 3.0-6.0 MV/cm。在可靠性方面：18V驅(qū)動(dòng)接近SiO?臨界值(8-10 MV/cm)，長期高壓加速氧化層老化，引發(fā)福勒-諾德海姆隧穿(F-N Tunneling)，導(dǎo)致Vth負(fù)漂移，而15V驅(qū)動(dòng)的安全裕量提升20%，顯著降低柵氧退化風(fēng)險(xiǎn)，高溫下(>175°C)電荷 trapping 效應(yīng)減弱。18V驅(qū)動(dòng)使柵極電場強(qiáng)度提升20%，直接犧牲長期可靠性換取瞬時(shí)性能。

溝道反型層(Inversion Layer)的導(dǎo)通特性

SiC的低溝道遷移率(僅為硅的1/10)是核心瓶頸，需更高垂直電場才能形成低阻通路。

元胞設(shè)計(jì)：平面柵(Planar)或溝槽柵(Trench)結(jié)構(gòu)影響電場分布。

另外：高溫(>150°C)：SiC價(jià)帶激活能降低，15V驅(qū)動(dòng)下溝道導(dǎo)通能力進(jìn)一步惡化，而18V驅(qū)動(dòng)可補(bǔ)償此缺陷。低溫(<25°C)：15V驅(qū)動(dòng)可能因閾值電壓(Vth)升高導(dǎo)致導(dǎo)通不充分，18V優(yōu)勢更顯著。

寄生電容(Ciss, Crss, Coss)的開關(guān)行為差異

SiC MOS的高摻雜漂移層與薄基區(qū)設(shè)計(jì)導(dǎo)致寄生電容非線性特性突出：米勒電容(Crss)：柵漏電容C_gd在高壓下急劇減小(因耗盡層展寬)。

18V驅(qū)動(dòng)：dv/dt↑ → Crss容抗↓ → 柵極電流Ig = Crss×dv/dt 劇增，高Ig易抬升Vgs超過Vth，需負(fù)壓關(guān)斷抑制;

15V驅(qū)動(dòng)：dv/dt較低 → Ig幅值減小，米勒平臺(tái)電壓更低，寄生導(dǎo)通概率下降30%。

新一代器件(如ROHM雙溝槽柵)通過屏蔽柵設(shè)計(jì)降低Crss，但18V驅(qū)動(dòng)仍需-5V關(guān)斷電壓保障安全。

我們應(yīng)該如何選擇呢?

選18V驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場景：

架構(gòu)上：采用屏蔽柵/雙溝槽等低Crss結(jié)構(gòu)(如Wolfspeed Gen4);系統(tǒng)散熱極佳(如液冷)，可快速轉(zhuǎn)移JFET區(qū)熱量;氧化層工藝升級(jí)(如氮化退火SiO?)。

應(yīng)用場景上：

高頻高功率系統(tǒng)：如光伏逆變器、車載OBC，需最小化損耗提升效率;

有限流電感的拓?fù)洌喝鏛LC諧振轉(zhuǎn)換器，短路電流可控，抵消抗短路弱點(diǎn);

低溫環(huán)境：結(jié)溫<150°C，避免Vth漂移問題(如數(shù)據(jù)中心電源)。

選15V驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場景：

結(jié)構(gòu)上：傳統(tǒng)平面柵結(jié)構(gòu)(Cree Gen2/Gen3);高溫應(yīng)用(>150°C)或氧化層厚度>70nm;無限流能力的拓?fù)?如Buck-Boost)。

用場景上：

高可靠性需求：如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)設(shè)備，需長抗短路時(shí)間;

高溫或無限流拓?fù)洌航Y(jié)溫≥175°C或Buck電路等，依賴驅(qū)動(dòng)電壓保障安全;

兼容性優(yōu)先：改造現(xiàn)有Si IGBT系統(tǒng)，避免重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源。

在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面需要考慮的因素：

負(fù)壓關(guān)斷的必要性

18V驅(qū)動(dòng)因高dv/dt風(fēng)險(xiǎn)，必須搭配負(fù)壓關(guān)斷(-3V~-5V)或米勒鉗位功能。

15V驅(qū)動(dòng)在低dv/dt場景可嘗試0V關(guān)斷(如英飛凌CoolSiC)，但需實(shí)測驗(yàn)證。

驅(qū)動(dòng)芯片與電源要求

18V驅(qū)動(dòng)需支持高CMTI(>100V/ns)、軌到軌電壓(如+20V/-5V)，電源設(shè)計(jì)復(fù)雜。

15V驅(qū)動(dòng)可用標(biāo)準(zhǔn)±15V隔離電源，降低成本(如三菱電機(jī)SiC模塊)。

短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間

SiC MOSFET短路耐受時(shí)間僅2-4μs(IGBT為10μs)，18V驅(qū)動(dòng)要求保護(hù)電路響應(yīng)<1.5μs，需專用驅(qū)動(dòng)芯片(如英飛凌1ED38X0系列)。

選擇15V還是18V本質(zhì)是效率與魯棒性的取舍：

選18V：追求極致效率，接受更高的保護(hù)電路成本與可靠性風(fēng)險(xiǎn);選15V：側(cè)重系統(tǒng)穩(wěn)定性與兼容性，容忍適度損耗增加

終上：選擇時(shí)參考具體器件手冊的Rds(on)-Vgs曲線與短路耐受曲線，結(jié)合結(jié)溫、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、保護(hù)電路能力綜合決策。高頻場景優(yōu)選18V+負(fù)壓關(guān)斷;高溫/高可靠場景首選15V+米勒鉗位。