十年后可以实现无人驾驶普遍化吗？
在知乎上看到这么一个问题，十年后可以实现无人驾驶普遍化吗？并提出现在是否还有必要学习驾照。这是一个非常有趣的问题，因为这个问题涉及到了自动驾驶商用化的时间可能以及自动驾驶落地后我们的生活会发生哪些改变。在这个问题中，还涉及到了一个概念，即普遍化，这也是非常值得讨论的问题。智驾最前沿将从这一个问题着手，与大家进行讨论。 自动驾驶关乎智能出行、智能交通、智能城市，是未来发展的一大趋势，也将会是改变社会生活
随着制备技术的进步，在需求的不断拉动下，碳化硅（SiC）器件与模块的成本逐年降低。相关产品的研发与应用也得到了极大的加速。尤其在新能源汽车，可再生能源及储能等应用领域的发展，更是不容小觑。 富昌电子（Future Electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，并缩短产品设计周期。在第三代 半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术积累和项目经验，落笔于SiC相关设计的系列文章。希望以此给到大家一定的设计参考，并期待与您进一步的交流。
作为系列文章的第一部分，本文将先就SiC MOSFET的驱动电压做一定的分析及探讨。
1．常见的Vgs与Vgs(th)，以及对SiC MOSFET应用的影响
驱动电压Vgs和栅极电压阈值Vgs(th)关系到SiC MOSFET在应用过程中的可靠性，功率损耗(导通电阻)，以及驱动电路的兼容性等。这是SiC MOSFET非常关键的参数，在设计过程中需要重点考虑。在不同的设计中，设置不同的驱动电压会有更高的性价比。下图1 列出几个常见厂家部分SiC MOSFET的Vgs与Vgs(th)值作对比。
图1：
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2. SiC MOSFET驱动电压设置探讨
(1)驱动电压高电平Vgs_on是选择+12V、+15V、+18V还是+20V?
如图1所示，SiC MOSFET 驱动电压正向最大值在22V~25V左右，推荐的工作电压主要有+20V,+18V两种规格，具体应用需要参考不同SiC MOSFET型号的DATASHEET。由下图2所示，Vgs超过15V时，无论是导通内阻还是导通电流逐渐趋于平缓 (各家SiC MOSFET的DATASHEET给出的参考标准不同，有的是Rds(on)与Vgs的曲线，有的是Id与Vgs的曲线)。当然驱动电压Vgs越高，对应的Rds(on)会越小，损耗也就越小。
富昌设计小建议：Vgs设定Vgs时不能超过DATASHEET给定的最大值，否则可能会造成SiC MOSFET永久损坏。
①对于推荐使用+18V或+20V 高电平驱动电压的SiC MOSFET
由图1所示，因为新一代SiC MOS工艺的提升，部分SiC MOSFET推荐高电平驱动电压为+18V。由下图2所示，工艺的提升，使得Vgs从+18V到+20V的Rds(on)变化不大，导通损耗差别不明显。
富昌设计小建议：最新一代SiC MOSFET建议使用+18V驱动电压。对降低驱动损耗以及减少Vgs过冲损坏更加有益。
②对于+15V 高电平可否驱动SiC MOSFET
在正常情况下，DATASHEET上没有推荐，不建议使用。但是考虑到与15V驱动的Si IGBT 兼容，需要经过计算导通损耗的增加，设计有足够的散热条件以及考虑到设备整体损耗时，也可以使用。如下图2所示为Vgs与Rds(on)的关系，可知门极电压越高，Rds(on)越小，如果在+15V下工作Rds(on)会比标称值大。
富昌设计小建议：Vgs设置为+15V时，SiC MOSFET损耗会比标称值大。
3对于+12V 高电平可否驱动SiC MOSFET
工作原理与+15V驱动电压同理，但是应用会更少，一般不推荐使用。但是一些特殊应用场景，例如在小功率高压辅助电源应用，可能需要兼容目前市面上的Si MOSFET控制IC，又需要使用1700V的SiC MOSFET，客户在综合考量后，如果接受Rds(on)稍高的情况下，是可以使用的。
富昌设计小建议：Vgs设置为+12V时，SIC MOSFET损耗会远远超过标称值，计算损耗时应参考Vgs=+12V时的Rdson。
图2：
(2)驱动电压低电平Vgs_off是选择0V、-3V还是-5V?
驱动电压低电平的选择要比高电平复杂的多，需要考虑到误开通。误开通是由高 速变化的dv/dt，通过米勒电容Cgd耦合到门极产生门极电压变化，导致关断时ΔVgs超过阈值电压而造成的。因此误开通不仅和阈值电压Vgs(th)有关，还与dv/dt产生的电压变化有关。
①对于-3V或-5V关断电压如何选择
首先参考SiC MOSFET的DATASHEET上推荐的关断电压。再考虑门极电压阈值裕度为：ΔVgs_th=Vgs(th)-Vgs_off, 当dv/dt趋于无穷大时，dv/dt产生的门极电压变化为：ΔVgs=Vbus*Crss/Ciss。可知，当门极电压阈值裕度ΔVgs_th越大于dv/dt造成的门极电压变化ΔVgs时，器件Vgs_off安全裕度越大，误开通风险越小。但是Vgs_off越小，引起Vgs(th)漂移越大，导致导通损耗增加。
富昌设计小建议：综合考量计算ΔVgs_th 后，在实验过程中实测ΔVgs，可以进一步提升实际应用的稳定性和性能。
②对于0V关断电压探讨
虽然驱动电压Vgs为OV时已经可以关断SiC MOSFET，但是由于dv/dt引起的ΔVgs，可能会导致SiC MOSFET误导通，导致设备损坏，故而不推荐使用。当然如果是设计的dv/dt非常小，Crss/Ciss比值足够大，并且充分考虑到ΔVgs对SiC MOSFET误导通的影响下，客户可以根据自己的设计而定。
富昌设计小建议：重点考虑dv/dt造成的ΔVgs以及环路等效电感，对误导通的影响，在设置Vgs_off=0V时，才能让系统更加稳定。
3. Vgs(th)漂移带来的影响，以及影响Vgs(th)的因素
由于宽禁带半导体SiC的固有特征，以及不同于Si材料的半导体氧化层界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。为了理解这些差异，解释这些差异与材料本身特性的关系，评估其对应用、系统的影响，需要更多的研究及探索。
(1)Vth漂移对应用的影响
长期来看，对于给定的Vgs, 阈值漂移的主要影响在于会增加Rds(on)。通常来说，增加Rds(on)会增加导通损耗，进而增加结温。在计算功率循环时，需要把这个增加的结温也考虑进去。
富昌设计小建议：如果开关损耗占比总损耗较高时，可以忽略Vgs(th) 漂移导致的开通损耗。
(2)Vth漂移对器件的基本功能不会被影响，主要有：
1耐压能力不会受影响；
2器件的可靠性等级，如抗宇宙射线能力，抵抗湿气的能力等不会受影响；
3Vth漂移会对总的损耗有轻微影响；
(3)影响Vth漂移的参数主要包括：
1开关次数，包括开关频率与操作时间；
2驱动电压，主要是Vgs_off；
(4)以下参数对开关操作引起的Vth漂移没有影响：
①结温；
②漏源电压，漏极电流；
③dv/dt, di/dt；
4. 总结
本文主要针对驱动电压Vgs和栅极电压阈值Vgs(th)本身对SiC MOSFET在使用过程中的影响做出讨论。在实际应用过程中，设置的Vgs电压是对设备的可靠性，功率损耗以及驱动电路的兼容性等因素的综合考虑。理论计算只是设计参考的一部分，也可以考虑实际测量获得真实的数据来修正设计参数。实际测量得到的ΔVgs，对设置Vgs_off会更有参考价值，并且会使得SiC MOSFET应用设计更加稳定且充分利用其性能。同时驱动电压Vgs的设置还会受到驱动电阻Ron与Roff、驱动电流以及驱动回路等影响，此处不做展开探讨，富昌电子将在后续连载文章中逐步剖析，敬请期待。
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