系統(tǒng)寄生參數(shù)對SiC器件開關(guān)的影響分析

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/ 摘要/

本文分析了系統(tǒng)寄生參數(shù)對SiC(碳化硅)器件使用的影響。本文還研究了SiC MOS開關(guān)開通時的過流機理，以及開通電流振蕩的原因。除了寄生電感對功率器件電壓應(yīng)力的影響外，本文還討論了系統(tǒng)設(shè)計中寄生電容對開通電流應(yīng)力、電流振蕩和開通損耗的負面影響。

01、導(dǎo)言

隨著SiC技術(shù)的發(fā)展和電力電子行業(yè)的增長，SiC器件越來越受到工程師們的青睞。主要半導(dǎo)體制造商正在開發(fā)從平面柵到溝槽柵的各種器件[1,2]。這主要是由于碳化硅作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有較低傳導(dǎo)損耗的優(yōu)勢。這使得高壓MOSFET和高壓SiC肖特基二極管的產(chǎn)品化成為可能。

02、開通電流過沖

傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管具有反向恢復(fù)效應(yīng)，而肖特基結(jié)構(gòu)的單極理論中不存在這種效應(yīng)[3,4]。然而，在實際應(yīng)用中，當(dāng)電流在SiC MOS和SiC肖特基二極管換流時，MOSFET的開通電流存在類似于反向恢復(fù)的過沖電流現(xiàn)象。

2.1 、碳化硅肖特基二極管中的換向電流過沖

理論上,肖特基二極管沒有PN結(jié)或剩余電荷，因此不存在反向恢復(fù)。然而，在圖1所示的仿真結(jié)果（使用SPICE模型）中，可以觀察到在MOSFET開通（二極管關(guān)斷）期間有類似于反向恢復(fù)的電流。這是由于二極管的結(jié)電容在開關(guān)瞬間充電所致。具體來說，如果上橋臂的開關(guān)開通，下橋臂二極管的結(jié)電容充電會產(chǎn)生結(jié)電流。

圖1.SiC MOSFET開關(guān)過程仿真結(jié)果

圖2.續(xù)流二極管與電容Ca并聯(lián)時換流的仿真結(jié)果

當(dāng)在續(xù)流橋臂上并聯(lián)不同值的電容（無、100pF、200pF、300pF）時，仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯S著并聯(lián)二極管電容的增大，等效反向恢復(fù)電流也隨之增大。仿真數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，可以看出等效反向恢復(fù)電流越大，換向開關(guān)導(dǎo)通時的電流IQ1就越大。

表1. 并聯(lián)電容續(xù)流二極管的數(shù)據(jù)匯總

總之，在碳化硅肖特基二極管中看到的明顯反向恢復(fù)電流是由寄生電容的存在造成的。當(dāng)開關(guān)開通時，二極管導(dǎo)通電壓給寄生電容充電，導(dǎo)致電流疊加到開關(guān)上。

2.2 、SiC MOS開關(guān)開通電流過沖

這一細節(jié)將在最后的論文中討論。

03、開關(guān)電流振蕩

圖3顯示了SiC MOS開關(guān)的測量波形。它顯示了開通瞬間存在明顯電流過沖，及電流振蕩。

圖3.SiC MOS和SiC肖特基換向器開關(guān)的測量波形

圖4.將系統(tǒng)寄生參數(shù)考慮在內(nèi)的SiC MOS和SiC肖特基換流仿真

其主要原因是功率回路的電感與回路的寄生電容產(chǎn)生了諧振[5]?？梢酝ㄟ^仿真分析這一原因。仿真電路如圖4所示。

3.1 、續(xù)流開關(guān)(交流/母線負)寄生電容對振蕩的影響

我們考慮了功率器件的寄生參數(shù),而不是主回路的寄生參數(shù)。TO-247封裝的典型寄生電感Lq約為13nH，所選二極管的寄生電感Ld約為6.5nH。開通時刻的電路振蕩回路如圖5b所示。通過將額外的雜散電感La串入主回路，并將寄生電容Ca并入續(xù)流橋臂，得到了IQ1的仿真頻率,其計算結(jié)果如表2所示。

a.Ca=none時的電流振蕩頻率

b.等效振蕩回路，圖5.考慮Ca時的開通電流振蕩。

表2. 帶并聯(lián)電容器Ca的續(xù)流開關(guān)的振蕩頻率數(shù)據(jù)

從這些結(jié)果可以看出，當(dāng)不考慮系統(tǒng)電路的寄生電容，只考慮功率器件的電容時，振蕩由環(huán)路3決定。當(dāng)有額外的寄生電容Ca時，振蕩主要由環(huán)路1決定。

3.2 、開關(guān)(或交流/母線正)寄生電容對振蕩的影響

這一細節(jié)將在最后的論文中討論。

04、系統(tǒng)寄生參數(shù)對SiC MOS開關(guān)的影響

4.1?寄生電容的影響

假設(shè)母線的寄生電感為La=15nH，分析了帶有寄生電容的連續(xù)器（或Ac和Bus-）的寄生電容。模擬結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，隨著電容Ca的增大，振蕩頻率降低，過充電電流的峰值增大。

仿真結(jié)果匯總于表3。隨著電容Ca的增大，導(dǎo)通損耗增大，關(guān)斷損耗減小。

圖6寄生電容Ca對開通電流振蕩的影響。

表3. 續(xù)流開關(guān)并聯(lián)電容Ca對開關(guān)損耗的影響

4.2?寄生電感的影響

這一細節(jié)將在最后的論文中討論。

05、結(jié)論

本文討論了系統(tǒng)寄生參數(shù)對SiC器件開關(guān)性能的影響，并進行了仿真分析。論文重點討論了SiC MOS 器件在開關(guān)期間由于寄生電容的存在而產(chǎn)生的導(dǎo)通電流尖峰、電流振蕩以及對Eon損耗的影響。

參考文獻

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[3]? Nii-Adotei Parker-Allotey、Olayiwola Alatise,IGBT/Si- PiN 二極管對和 IGBT/SiC-Schottky 二極管對的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗比較,IEEE PES 創(chuàng)新智能電網(wǎng)技術(shù)國際會議和展覽,英國曼徹斯特,2011 年

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[5] M.R. Ahmed、R. Todd 和 A. J. Forsyth,SiC MOSFET 體二極管和 SiC 肖特基二極管在不同溫度下的開關(guān)性能,IEEE 能源轉(zhuǎn)換大會和博覽會(ECCE),美國俄亥俄州辛辛那提,2017 年

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