器件緩沖似乎是處理開關(guān)過沖、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案，而這對(duì)于諸如IGBT之類較老的技術(shù)來說確實(shí)如此。但是，寬禁帶器件，尤其是SiC FET，可以將該技術(shù)用為柵極電阻調(diào)諧的優(yōu)良替代方案，以提供較低的總損耗。

 

在這個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體開關(guān)的新時(shí)代，器件的類型選擇包括SiC MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），它們都有自己特性并都聲稱擁有最佳的性能。但是，這兩種都還不是理想的開關(guān)，這兩種類型的器件都在某些方面有局限性，特別是在柵極驅(qū)動(dòng)要求方面和“第三象限”操作方面。

 

SiC FET提供了另一種選擇

 

但我們還有另一種選擇。 UnitedSiC FET是SiC JFET和低壓Si MOSFET的一種級(jí)聯(lián)組合，具有SiC的速度優(yōu)勢(shì)，以及SiC最低傳導(dǎo)損耗的優(yōu)點(diǎn)，并且僅需要一個(gè)簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)和一個(gè)快速、低功耗的體二極管用于第三象限傳導(dǎo)（圖1）。

SiC FET的速度非常快，其邊沿速率為50V/ns甚至更高，這對(duì)于最大程度降低開關(guān)損耗非常有用，但所產(chǎn)生的di/dt比值可達(dá)數(shù)安培/納秒。通過封裝和電路電感，這會(huì)產(chǎn)生極高的電壓過沖并導(dǎo)致隨后的電壓振鈴現(xiàn)象。在這種電流變化速率下，可簡(jiǎn)單分析得出，即使幾十納亨（nH）也可能產(chǎn)生數(shù)百伏的過沖（從公式E = –L(di/dt)得出）。對(duì)于快速切換的寬禁帶器件，將這種雜散電感降至最低至關(guān)重要。但是，這在實(shí)際的布線中卻很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴季€要求必須在高壓組件之間保留安全距離，并且為了獲得更好的熱性能需要使用更大的半導(dǎo)體封裝。

 

過沖有超過器件額定電壓的風(fēng)險(xiǎn)，并給元器件的長(zhǎng)期使用增添了壓力，但是快速變換的邊緣也會(huì)引起絕緣擊穿，并會(huì)產(chǎn)生更多的EMI，導(dǎo)致需要使用更大、更昂貴且損耗更高的濾波器。因此，實(shí)際電路通常會(huì)故意降低此類快速開關(guān)的邊沿速率，從而允許使用可能具有更低傳導(dǎo)損耗和更小濾波器的低壓器件，用來抵消稍高的開關(guān)損耗。

 

緩慢的開關(guān)邊沿可減少過沖和EMI

 

有兩種常見的減慢開關(guān)邊沿速率的方法：通過增添柵極電阻和通過在器件的漏極-源極端之間使用一個(gè)緩沖器。

 

增加?xùn)艠O電阻確實(shí)會(huì)降低dV/dt，從而減少過沖，但是對(duì)漏極電壓隨后出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象幾乎沒有影響。柵極電阻的減慢效果取決于器件的總柵極電荷，而電荷又取決于諸如柵極-源極電容和“米勒”效應(yīng)等的參數(shù)。當(dāng)器件切換時(shí)，這些參數(shù)會(huì)表現(xiàn)為可變的柵極-漏極電容。導(dǎo)通和關(guān)斷的延遲可以分別通過使用兩個(gè)帶控向二極管的柵極電阻來控制，但是，想要在所有工作條件下都達(dá)到這種總體優(yōu)化的效果是有難度的。此外，增加?xùn)艠O電阻會(huì)給柵極驅(qū)動(dòng)波形帶來延遲，這在高頻應(yīng)用中會(huì)是個(gè)大問題。

 

相反，簡(jiǎn)單的Rs-Cs緩沖器可通過增加開關(guān)的漏極電容來減慢dV/dt。它還有一個(gè)額外的效果：由于一些電流需要用來給Cs充電，因此器件關(guān)斷時(shí)電壓上升和電流下降之間的重疊會(huì)減少，從而降低了器件的開關(guān)損耗。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，必須限制電容器的放電電流，因此要串聯(lián)一個(gè)電阻，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，該電阻還可以抑制振鈴。缺點(diǎn)是電阻器在此過程中不可避免地會(huì)消耗一些功率，并且半導(dǎo)體開關(guān)效率的增益會(huì)在一定程度上會(huì)被抵消。

 

緩沖器可以成為更低損耗的解決方案

 

SiC FET技術(shù)開發(fā)商UnitedSiC的研究表明，與單單增加?xùn)艠O電阻相比，僅需一個(gè)非常小的緩沖電容和一個(gè)相應(yīng)的低功率電阻即可實(shí)現(xiàn)對(duì)dV/dt、過沖和振鈴更有效的控制。當(dāng)小型緩沖器件與較低的Rg結(jié)合使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更低的總損耗和更清晰的波形。這種方法對(duì)UnitedSiC的FET和傳統(tǒng)的SiC MOSFET都適用。圖2比較了一個(gè)有200 pF/10Ω緩沖器的器件（左）和一個(gè)添加了5Ω柵極電阻的器件（右）的振鈴現(xiàn)象和dV/dt。雖然兩種方法在關(guān)斷時(shí)都差不多調(diào)諧到了相同的 峰值，但有緩沖器的版本明顯有著更短的延遲時(shí)間和更好的振鈴阻尼。

 

圖2：使用RC器件緩沖可降低dV/dt，ID/重疊以及SiC MOSFET的振鈴。（ID = 50 A，V = 800 V，TO247-4L；左：SiC MOSFET的關(guān)斷波形，Rg.off = 0Ω，Rs = 10Ω，Cs = 200 pF；右：SiC MOSFET的關(guān)斷波形，Rg.off = 5Ω，無器件緩沖）。

 

總損耗包含傳導(dǎo)損耗、上升和下降沿上的開關(guān)損耗，以及緩沖電阻中的任何功率消耗。通過與SiC MOSFET器件進(jìn)行比較，在UnitedSiC上進(jìn)行的測(cè)試表明，在高漏極電流下，當(dāng)峰值電壓調(diào)諧相當(dāng)時(shí)，采用緩沖方案的關(guān)斷能量損耗（EOFF）僅為單單采用柵極電阻時(shí)的50％。同時(shí)導(dǎo)通能耗（EON）略高（僅約10％），對(duì)于一個(gè)以40 kHz和48 A / 800 V開關(guān)的40mΩ器件來說，一個(gè)周期約275 µJ（或11 W）的緩沖器對(duì)其總體上的影響是正面的。這種比較在圖3中以藍(lán)色和黃色的曲線表示。黑色曲線代表了一個(gè)有緩沖器且優(yōu)化了柵極導(dǎo)通和關(guān)斷電阻的40mΩ UnitedSiC SiC FET器件的性能，與測(cè)量的SiC MOSFET相比，SiC FET的輸出電容更低，本征速度更快，因此其損耗得到了進(jìn)一步降低。

 

圖3：比較SiC開關(guān)有無緩沖器時(shí)的總開關(guān)損耗。

 

緩沖電容器在每個(gè)開關(guān)周期里都充分地充電和放電，但要注意的是，這些存儲(chǔ)的能量并沒有全部消耗在電阻器上。實(shí)際上，大多數(shù)CV2能量是在器件開啟時(shí)消耗的。在引用示例中，在40 kHz，ID為 40 A，VDS為 800 V以及有著一個(gè)220-pF /10-Ω緩沖器的情況下，總功率消耗約為5 W，但電阻僅占0.8W，其余的都在開關(guān)中消耗了。這樣就可以使用額定電壓合適的小尺寸電阻器（即使是表面貼裝型也可以）。

 

UnitedSiC的器件具有D2pk7L和DFN8×8以及TO247-4L封裝形式，可實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能。 TO247-4L封裝的部件與源極之間有開爾文連接，可有效消除源極電感的影響，減少了開關(guān)損耗，并在高漏極di / dt時(shí)生成更干凈的柵極波形。

 

結(jié)論

器件緩沖似乎是處理開關(guān)過沖、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案，而這對(duì)于諸如IGBT之類較老的技術(shù)來說確實(shí)如此，因?yàn)樗鼈兊?ldquo;尾電流”長(zhǎng)，需要大型且有損的緩沖網(wǎng)絡(luò)。但是，寬禁帶器件，尤其是SiC FET，可以將該技術(shù)用為柵極電阻調(diào)諧的優(yōu)良替代方案，以提供較低的總損耗，并且可以采用緊湊、廉價(jià)的元器件來實(shí)現(xiàn)。

 

(文章來源：ednchina)