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柵極環(huán)路電感對SiC和IGBT功率模塊開關特性的影響分析

03/12 10:00
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IGBT碳化硅SiC)模塊的開關特性受到許多外部參數(shù)的影響,例如電壓、電流、溫度、柵極配置和雜散元件。本系列文章將重點討論直流鏈路環(huán)路電感(DC?Link loop inductance)柵極環(huán)路電感(Gate loop inductance)對VE?Trac IGBT和EliteSiC Power功率模塊開關特性的影響,本文為第二部分,將主要討論柵極環(huán)路電感影響分析。

測試設置

雙脈沖測試 (Double Pulse Test ,DPT) 采用不同的設置來分析SiC和IGBT模塊的開關特性。如表1所示,對于直流鏈路環(huán)路電感影響分析,可在直流鏈路電容和模塊之間添加母線來進行。對于柵極環(huán)路電感影響分析,如表10所示,在柵極驅動板和模塊之間添加外部插座或電線。為了研究模塊的開關特性,本次測試使用 900V、1.7mQ EliteSiC Power功率模塊 (NVXR17S90M2SPC)和 750V Field Stop 4 VE-Trac Direct模塊 (NVH950S75L4SPB) 作為待測器件(DUT)。

圖 1. 雙脈沖測試設置

IGBT的開關特性與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

柵極環(huán)路電感會對開關特性造成影響。針對NVH950S75L4SPB模塊,在滿足以下條件的情況下進行了雙脈沖測試。

DUT: 低邊FS4 750V 950A IGBT 模塊 (NVH950S75L4SPB)

VDC = 400 V

IC = 600 A

VGE = +15/?8 V

RG(on) = 4.0 Q

RG(off) = 12.0 Q

Tvj= 25℃

表10顯示了三種不同的柵極環(huán)路電感與開關特性之間的測試配置。在柵極驅動器和模塊之間添加了外部插座或延長線,以模擬在柵極環(huán)路上增加的電感。

表 10. 柵極環(huán)路電感測試設置

圖10顯示了在IGBT導通階段,不同柵極環(huán)路測試配置下的波形對比,總結的特性如表11中所述。較長的柵極環(huán)路測試設置顯示出較低的Eon值以及更快的di/dt。柵極環(huán)路電感主要由柵極環(huán)路長度引起。在開始導通時,柵極環(huán)路電感能夠減緩升流(rising current)速度。當柵極電壓達到米勒平臺時,環(huán)路電感充當電流源(current source),該電流源通過向柵極提供更多電流來加快di/dt的變化。相較于直流鏈路環(huán)路,柵極環(huán)路長度對導通特性的影響較小。同時,更高的柵極環(huán)路電感會增加柵極電壓的過沖,這可能會因 RG 而失去可控性。

圖11展示了在IGBT關斷期間,不同柵極環(huán)路電感設置下的波形對比??偨Y出的特性如表12所述。關斷特性相比于導通特性受到的影響較小。在關斷初期,由柵極回路電感引起的下沖電壓略有不同,但并不會對關斷特性造成實質性影響。當柵極電壓達到米勒平臺階段時,dV/dt和di/dt會因下沖電壓而略有變化,但在短時間內會被柵極灌電流迅速恢復。

圖 10. IGBT導通波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

表 11. 總結:IGBT導通特性與柵極環(huán)路電感

圖11展示了在IGBT關斷期間,不同柵極環(huán)路電感設置下的波形對比。總結出的特性如表12所述。關斷特性相比于導通特性受到的影響較小。在關斷初期,由柵極回路電感引起的下沖電壓略有不同,但并不會對關斷特性造成實質性影響。當柵極電壓達到米勒平臺階段時,dV/dt和di/dt會因下沖電壓而略有變化,但在短時間內會被柵極灌電流迅速恢復。

圖 11. IGBT關斷波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

表 12. 總結:IGBT關斷特性與柵極環(huán)路電感(LG)

SiC MOSFET開關特性與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

本小節(jié)分析了不同柵極環(huán)路電感(LG)對SiC MOSFET 開關特性的影響。在與表 10 相同的測試條件下,對 NVXR17S90M2SPC 模塊進行了雙脈沖測試,測試條件如下。

DUT: 低邊NVXR17S90M2SPC

VDC = 400 V

IC?= 600 A

VGE?= +18/?5 V

RG(on)?= 3.9 Q

RG(off)?= 1.8 Q

Tvj= 25℃

圖 12 顯示了 SiC MOSFET 導通期間,柵極環(huán)路測試不同設置下的波形比較,表 13 對其特性進行了總結。與 IGBT 的情況一樣,較長的柵極環(huán)路測試條件下,較快的 di/dt 導致較低的 Eon 和較高的 VSD_peak峰值電壓。

圖 12. SiC MOSFET導通波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

表 13. 總結:SiC MOSFET 導通特性與柵極環(huán)路電感

圖13展示了在SiC MOSFET關斷期間,不同柵極環(huán)路電感設置下的波形對比。總結出的特性如表14中所述。在測試時,若使用較高的柵極環(huán)路電感,即使VDS過沖電壓增大,也會反應出較快的di/dt及較低的Eoff。關斷后,可作為電磁干擾(EMI)噪聲源的ID振蕩幅度取決于柵極環(huán)路的長度。

圖 13. SiC MOSFET關斷波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關系

表 14. 總結:SiC MOSFET關斷特性與柵極環(huán)路電感

總結

在本應用筆記中分析了電感對IGBT和SiC MOSFET模塊開關特性的影響。較高的直流鏈路環(huán)路電感設置會在Eoff和Err較高時導致較低的Eon。此外,結果顯示,在23nH和37nH測試設置之間的總開關損耗差距小于2mJ。這可能會讓人誤認為雜散電感對開關損耗影響不大。

然而,為了符合RBSOA和EMC的要求,調整外部柵極電阻(RG)或其他系統(tǒng)參數(shù)很有必要,盡管這樣做會犧牲 di/dt 的可控性并且增加開關損耗。圖14和圖15展示了在優(yōu)化外部RG前后,直流鏈路環(huán)路電感條件下IGBT和SiC的開關損耗情況。在優(yōu)化外部RG之前,采用較高的直流鏈路環(huán)路電感設置,總開關損耗相似,但在針對系統(tǒng)性能優(yōu)化外部RG之后,當直流鏈路環(huán)路電感從23nH變?yōu)?7nH時,IGBT和SiC案例中的總損耗分別增加了20%和92%。

圖 14. IGBT 總損耗比較

圖 15. SiC MOSFET 總開關損耗比較

較高的柵極環(huán)路電感設置在米勒平臺效應后,通過電感效應帶來稍快的導通瞬態(tài)。從開關損耗的角度來看,其影響比直流鏈路環(huán)路電感要小一些。由于不希望出現(xiàn)柵極過沖現(xiàn)象,較高的柵極環(huán)路電感會導致柵極控制能力降低。從短路情況來看,這種電感會拉高柵極電壓,因此,通過增加柵極電壓可以縮短短路耐受時間。此外,較長的柵極環(huán)路可以充當天線,電磁噪聲抗干擾能力差,并且可能對其他電路產(chǎn)生干擾。

IGBT 開關損耗與柵極環(huán)路電感的關系

總之,最小化直流鏈路和柵極環(huán)路電感對于IGBT/SiC的開關應用是必要的,在滿足可控性和電磁兼容性的同時獲得更低的開關損耗。

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安森美

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歷史安森美半導體前身是摩托羅拉集團的半導體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產(chǎn)摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設計和制造設施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導體和富士通半導體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導體公司。2016年八月,安森美半導體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關型晶閘管產(chǎn)品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導體完成收購飛兆半導體公司。產(chǎn)品安森美半導體制造以下的各種產(chǎn)品:定制:ASIC;定制代工服務;定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產(chǎn)生;時鐘及數(shù)據(jù)分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關;音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產(chǎn)品部安森美半導體的各個產(chǎn)品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經(jīng)理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社

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