探讨1,200-V 300-A SiC MOSFET对开关频率的影响

由于快速的开关，传导损耗和击穿电压的增加，在现代工业应用中增加了SiC MOSFET的使用。通过最快速的开关速度和更高的频率赋能，该框架减小了尺寸并提高了系统效率。大功率SIC MOSFET模块是驱动电机系统中Si IGBT的可接受替代品。dV / dt较高会在逆变器和电动机彼此远离的情况下由于反射波而给电动机绕组保护带来额外的负载，这在大多数驱动电动机应用中非常常见。1由于切换速度更快，即使使用短电缆，在不同应用中也需要dV / dt滤波器。可以为SiC MOSFET精确设计输出滤波器。2个IGBT开关的性能随电流水平而变化。相比较而言，电缆的长度对开关装置3的影响很大。SiC MOSFET表现出对电流状态的更高依赖性，并且随着长度变化而扩大了变化范围。为了获得更高的开关频率，应简化连续导通和截止相臂之间的控制死区时间（T d），以在控制性能和模块保护之间保持最佳平衡。4尚未充分探讨电缆长度和输出滤波器对SiC MOSFET的开关性能以及以Si IGBT性能为基准的影响。4在简单的工程中修改控制死区时间的能力至关重要。在用于控制新一代设计的不同设置情况下，SiC MOSFET的性能会发生变化。电缆和dV / dt滤波器的影响很长，很难重新制定，因为寄生和各种框架布置具有多方面的性质。本文将讨论1，200-V 300-A SiC MOSFET的性能，以及通过不同的变量（例如电缆长度，停滞时间和输出滤波器）对其开关频率的影响。

实验装置

图1显示了测试设置的电路图。双脉冲测试（DPT）用于检查当前水平下的开关性能。整个评估过程中使用了无法区分的入口驱动电路。使用500 VDC总线电源，并利用9，200 µF的电解顶库来保持传输电压。覆盖的传输条有助于将圆形寄生电感最小化。

负载电流水平会影响IGBT和MOSFET的速度。开关是通过对栅极进行充电和释放来实现的，该栅极依赖于栅极驱动电路和环路电流。在中等或重负载的情况下，MOSFET的开关速度仅取决于栅极驱动电路。5另一方面，在小负载的情况下，来自电源环路的栅极充电或放电电流将变为绝对值，以确定开关速度。

图1：电路图

从不同变量切换的影响

负载电流

负载电流的变化对两个模块的开关性能显示出不同的影响。在导通过程中，对电流的开关速度依赖性可以忽略不计，尤其是对于MOSFET，因为在导通过程中它仅下降16％，而在关断过程中上升到468％。在高负载电流时，这两个MOSFET和IGBT示出几乎相同的开关行为，而在低负载电流时，T断示出了巨大的变化，这是在MOSFET的情况下468％，在IGBT的情况下109％。4现在知道，T off对负载电流的依赖大于T on。本文的其余部分仅关注各种输出排列方案下的T off变化

2.电缆长度

由于延长了充电和放电持续时间，长距离电缆会增加开关时间。当电缆长度在低电流下增加时，MOSFET T off会增加。当我们降低电流时，电缆的减速效果会更高。相比之下，IGBT在尝试的电流范围内显示出相同的模式。但是，在高电流下，与MOSFET相比，T off表示对电缆长度变化的依赖性更高。延长的电缆长度会在释放路径中增加阻抗，并增加了T off在低电流下对电缆长度的依赖。可比现象应在T on也一样 另一个看法是，与短时和长时应用的IGBT相比，高电流下MOSFET的高开关速度优势是显而易见的。

图2：开关电路设置

3.死区时间优化

在现代驱动电机应用中，当设计基于SiC MOSFET的逆变器时，短路和保护的检测是另一个重要主题，尤其是在从现有的基于IGBT的Si计划转变的过程中。与具有8至10 µs的短路耐受时间的IGBT相比，SiC MOSFET通常具有2 µs以下的耐受时间。6在击穿之前，SiC MOSFET通常可以承受更高的电流，但是其长期可靠性会变差。

死区时间d d是避免桥穿通的有效策略。对于IGBT，空载时间通常在1至5 µs范围内，开关频率为1 kHz至10 kHz。在较低电流下，较慢的关断（0.4 µs）时间不会引起短路风险。对于SiC MOSFET，开关频率落在10至50kHz的范围内，空载时间低于1 µs，以实现出色的控制性能。低电流下较慢的关断会引起短路危险。

空载时间应根据负载曲线和输出设置精确平衡。基于模型的死区时间优化5需要更多的硬件推测。此外，由于快速切换带来的噪声耦合，难以精确估计来自栅极驱动电路的低压信号。

至于输出电缆的效果，情况取决于组件，例如电缆长度，沿这些线的输出滤波器电容，将它们组合成一种布置并不容易。给定检查结果，甚至可以得出一些一般准则。电缆长度在影响使用输出滤波器的时间中起着无关紧要的作用。在大电流情况下，较长的电缆不会影响开关频率，但会影响小电流操作。电缆规格的大小或长度可用作死区时间优化目的的控制输入。4

结论

进行了硬件系统测试，以仔细检查负载电流和电缆长度对SiC MOSFET的影响，并且由于合并输出排列增量模型的复杂性，Si IGBT关闭了该过程。与Si IGBT相比，SiC MOSFET的关断时间对随机流和输出设计的影响更大。在高电流，电缆长度和滤波器等不同因素的影响下，该设备的关断变量无关紧要。长电缆会降低低电流下的开关速度。为了补偿关断时间的变化并避免发生短路以获得良好的控制性能，使用了指数函数模型根据负载电流来驱动T off，从而可以优化T d。，不需要额外的硬件安装。

参考

1 MJ Scott，J。Brockman，B。Hu，L。Fu，L。Xu，J。Wang和RD Zamora，“使用宽带隙器件的电机驱动系统中的反射波现象”，在2014年IEEE宽带隙功率研讨会上设备和应用，第164–168页，IEEE，2014年。

2 R. Ruffo，P。Guglielmi和EG Armando，“用于降低SiC中电机过压的逆变器侧RL滤波器的精确设计。

3 L. Middelstaedt，D。Richter，A。Lindemann和A.Wintrich，“负载电缆配置对IGBT开关特性的影响”，在PCIM Europe 2016上；国际电力电子展览会和会议，智能运动，可再生能源和能源管理，pp.1-8，VDE，2016年。

4 1200V 300A SiC MOSFET开关性能的表征取决于负载电缆-输出滤波器和控制死区时间优化于玉佳，Willy Sedano，Peizhong Yi，Lixiang Wei标准驱动部，罗克韦尔自动化6400 West Enterprise Drive，Mequon，美国威斯康星州53092。

5 Z. Zhang，H。Lu，DJ Costinett，F。Wang，LM Tolbert和BJ Blalock，“利用碳化硅半导体的电压源转换器的基于模型的空载时间优化”，《电力电子IEEE期刊》，第1卷。32号 11，第8833–8844页，2016年。

6 S. Ji，M。Laitinen，X。Huang，J。Sun，W。Giewont，F。Wang和LM Tolbert，“ 10 kV SiC mosfet的短路特性和保护”，《 IEEE功率电子学报》，卷 34号 2，第1755–1764页，2018年。

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