系統(tǒng)寄生參數(shù)對SiC器件開關的影響分析

*本論文摘要由PCIM官方授權(quán)發(fā)布

/ 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力的影響外，本文還討論了系統(tǒng)設計中寄生電容對開通電流應力、電流振蕩和開通損耗的負面影響。

01、導言

隨著SiC技術的發(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體，具有較低傳導損耗的優(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效應，而肖特基結(jié)構(gòu)的單極理論中不存在這種效應[3,4]。然而，在實際應用中，當電流在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。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（二極管關斷）期間有類似于反向恢復的電流。這是由于二極管的結(jié)電容在開關瞬間充電所致。具體來說，如果上橋臂的開關開通，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。可以看出，隨著并聯(lián)二極管電容的增大，等效反向恢復電流也隨之增大。仿真數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，可以看出等效反向恢復電流越大，換向開關導通時的電流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電流是由寄生電容的存在造成的。當開關開通時，二極管導通電壓給寄生電容充電，導致電流疊加到開關上。

2.2 、SiC MOS開關開通電流過沖

這一細節(jié)將在最后的論文中討論。

03、開關電流振蕩

圖3顯示了SiC MOS開關的測量波形。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]。可以通過仿真分析這一原因。仿真電路如圖4所示。

3.1 、續(xù)流開關(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)流開關的振蕩頻率數(shù)據(jù)

從這些結(jié)果可以看出，當不考慮系統(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(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開關的影響

4.1?寄生電容的影響

假設母線的寄生電感為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，導通損耗增大，關斷損耗減小。

圖6寄生電容Ca對開通電流振蕩的影響。

表3. 續(xù)流開關并聯(lián)電容Ca對開關損耗的影響

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 器件在開關期間由于寄生電容的存在而產(chǎn)生的導通電流尖峰、電流振蕩以及對Eon損耗的影響。

參考文獻

[1]? D.Peters, T. Aichinger, T. Basler, W. Bergner, D. Kueck and R. Esteve, 1200V SiC Trench-MOSFET optimized for high reliability and high performance, European Conference on Silicon Carbide & Related Materials (ECSCRM), Halkidiki, Greece, 2016

[2]? Dethard Peters;Ralf Siemieniec;Thomas Aichinger,1200V SiC - Trench 的性能和堅固性 - MOSFET,功率半導體器件和集成電路國際研討會(ISPSD),日本札幌,2017 年

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

[4]? M.Hoefle, K. Schneider, A. Penirschke, O. Cojocari and R. Jakoby, Characterization and impedance matching of new highly sensitive planar Schottky detector diodes, German Microwave Conference, Darmstadt4德國,2011 年

[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

完整版內(nèi)容請關注2024PCIM Asia

英飛凌將為您帶來更多分享