【導(dǎo)讀】碳化硅(SiC)MOSFET的快速開關(guān)速度,高額定電壓和低RDSon使其對于不斷尋求在提高效率和功率密度的同時保持系統(tǒng)簡單性的電源設(shè)計人員具有很高的吸引力。
碳化硅(SiC)MOSFET的快速開關(guān)速度,高額定電壓和低RDSon使其對于不斷尋求在提高效率和功率密度的同時保持系統(tǒng)簡單性的電源設(shè)計人員具有很高的吸引力。
但是,由于它們的快速開關(guān)速度會產(chǎn)生高振鈴持續(xù)時間的高漏源電壓(VDS)尖峰,因此會引入EMI,尤其是在高電流水平下。
了解VDS尖峰和振鈴
寄生電感是SiC MOSFET VDS尖峰和振鈴的主要原因。查看關(guān)斷波形(圖1),柵極-源極電壓(VGS)為18V至0V。關(guān)斷的漏極電流為50A,VDS為800V。SiC MOSFET的快速開關(guān)速度會導(dǎo)致高VDS尖峰和較長的振鈴時間。這種尖峰會降低設(shè)備的設(shè)計裕量,以應(yīng)對閃電條件或負載的突然變化,并且較長的振鈴時間會引入EMI。在高電流水平下,此事件更加明顯。
圖1 VDS尖峰和關(guān)斷時通過SiC MOSFET產(chǎn)生的振鈴(1200V 40mOhm)
常見的EMI去除技術(shù)
抑制EMI的常規(guī)方法是降低通過器件的電流速率(dI / dt),這是通過使用高柵極電阻(RG)來實現(xiàn)的。但是,較高的RG會顯著增加開關(guān)損耗,從而損失效率。
抑制EMI的另一種方法是降低電源環(huán)路的雜散電感。但是,要實現(xiàn)這一點,PCB的布局需要更小的電感。但是,最大程度地減小電源環(huán)路是有限的,并且必須遵守最小間距和間隙安全規(guī)定。使用較小的封裝也會影響熱性能。
濾波器設(shè)計可用于幫助滿足EMI要求并減輕系統(tǒng)權(quán)衡??刂萍夹g(shù)(例如,頻率抖動)還可以降低電源的EMI噪聲。
使用RC緩沖器
使用簡單的RC緩沖器是一種更有效的方法。它可控制VDS尖峰并以更高的效率和可忽略的關(guān)閉延遲來縮短振鈴時間。借助更快的dv/dt和額外的電容器,緩沖電路具有更高的位移電流,從而降低了關(guān)斷過渡時的ID和VDS重疊。
雙脈沖測試(DPT)證明了RC緩沖器的有效性。它是帶有感性負載的半橋。橋的高邊和低邊都使用相同的器件,在低邊測量了VGS,VDS和ID(圖2)。電流互感器(CT)同時測量設(shè)備和緩沖電流。因此,測得的總開關(guān)損耗包括器件損耗和緩沖損耗。
圖2.半橋配置(頂部和底部使用相同的設(shè)備)
RC緩沖器只是一個200pF電容器和一個10Ω電阻器,串聯(lián)在SiC MOSFET的漏極和源極之間。
圖3:RC緩沖器(左)比高RG(右)更有效地控制關(guān)斷EMI
在圖3中,比較了圖1中相同設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)。左波形使用具有低RG(關(guān))的RC緩沖器,而右波形具有高RG(關(guān))且無緩沖器。兩種方法都限制了關(guān)斷峰值尖峰漏極——源極電壓VDS。但是,通過將振鈴時間減少到僅33ns,緩沖電路更加有效,并且延遲時間也更短。
圖4.比較顯示,使用RC緩沖器在開啟時影響很小
圖4比較了帶有RC緩沖器(左)和不帶有RC緩沖器的5ΩRG(開)下的波形。 RC緩沖器的導(dǎo)通波形具有稍高的反向恢復(fù)峰值電流(Irr),但沒有其他明顯的差異。
RC緩沖器比高RG(關(guān))更有效地控制VDS尖峰和振鈴持續(xù)時間,但這會影響效率嗎?
圖5.緩沖器和高RG(off)之間的開關(guān)損耗(Eoff,Eon)比較
在48A時,高RG(關(guān))的關(guān)斷開關(guān)損耗是低RG(關(guān))的緩沖器的兩倍多,幾乎與不使用緩沖器的開關(guān)損耗相當。因此,可以得出這樣的結(jié)論:緩沖器效率更高,可以更快地切換和控制VDS尖峰并更有效地振鈴。從導(dǎo)通開關(guān)損耗來看,緩沖器只會稍微增加Eon。
圖6.緩沖器與高RG(關(guān)閉)的總開關(guān)損耗(Etotal)的比較
為了更好地理解整體效率,將Eoff和Eon一起添加了Etotal(圖6)。全速切換時,緩沖器在18A以上時效率更高。對于以40A / 40kHz開關(guān)的40mΩ器件,使用RC緩沖器的高和低RG(關(guān))之間的損耗差為11W??傊?,與使用高RG(關(guān))相比,緩沖器是一種將EMI和開關(guān)損耗降至最低的更簡單,更有效的方法。
隨著第四代SiC器件進入市場,這種簡單的解決方案將繼續(xù)使工程師進行設(shè)計以獲得最佳效率。
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