R课堂 | 漏极和源极之间产生的浪涌

本文的关键要点

 

・漏极和源极间的浪涌是由各种电感分量和MOSFET寄生电容的谐振引起的。

・在实际的版图设计中，很多情况下无法设计出可将线路电感降至最低的布局，此时，尽可能在开关器件的附近配备缓冲电路来降低线路电感，这是非常重要的。

 

首先，为您介绍SiC MOSFET功率转换电路中，发生在漏极和源极之间的浪涌。

· 漏极和源极之间产生的浪涌

· 缓冲电路的种类和选择

· C缓冲电路的设计

· RC缓冲电路的设计

· 放电型RCD缓冲电路的设计

· 非放电型RCD缓冲电路的设计

· 封装引起的浪涌差异

 

                                                       

SiC MOSFET的漏极

和源极之间产生的浪涌

开关导通时，线路和电路板版图的电感之中会直接积蓄电能（电流能量）。当该能量与开关器件的寄生电容发生谐振时，就会在漏极和源极之间产生浪涌。下面将利用图1来说明发生浪涌时的振铃电流的路径。这是一个桥式结构，在High Side（以下简称HS）和Low Side（以下简称LS）之间连接了一个开关器件，该图是LS导通，电路中存在开关电流IMAIN的情形。通常，该IMAIN从VSW流入，通过线路电感LMAIN流动。

图1：产生关断浪涌时的振铃电流路径

 

接下来，LS关断时，流向LMAIN的IMAIN一般是通过连在输入电源HVdc和PGND之间的大容量电容CDCLINK，经由HS和LS的寄生电容，按照虚线所示路径流动。此时，在LS的漏极和源极之间，LMAIN和SiC MOSFET的寄生电容COSS（CDS+CDG）就会产生谐振现象，漏极和源极之间就会产生浪涌。如果用VDS_SURGE表示施加在HVdc引脚的电压，用ROFF表示MOSFET关断时的电阻，则该浪涌的最大值VHVDC可以用下述公式表示（*1）。

 

 

图2是使用SiC MOSFET SCT2080KE进行测试时关断时的浪涌波形。当给HVdc施加800V的电压时，可以算出VDS_SURGE为961V，振铃频率约为33MHz。利用公式（1），根据该波形，可以算出LMAIN约为110nH。

图2：关断浪涌波形

 

再接下来，增加一个图3所示的缓冲电路CSNB，实质性地去掉LMAIN后，其关断浪涌的波形如图4所示。

图3：C缓冲电路

图4：通过C缓冲电路降低关断浪涌

 

可以看到，增加该CSNB之后，浪涌电压降低50V以上（约901V），振铃频率也变得更高，达到44.6MHz，而且包括CSNB在内，整个电路中的LMAIN变得更小。

 

同样，利用公式（1）计算LMAIN，其结果由原来的110nH左右降低至71nH左右。原本，最好是在进行版图设计时，将线路电感控制在最低水平。但是，在实际设计过程中，往往会优先考虑器件的散热设计，所以线路并不一定能够按照理想进行设计。

 

在这种情况下，其对策方案之一就是尽可能在开关器件附近配置缓冲电路，使之形成旁路电路。这样既可以将线路电感这一引发浪涌的根源降至最低，还可以吸收已经降至最低的线路电感中积蓄的能量。然后，通过对开关器件的电压进行钳制，就可以降低关断浪涌。

 

*1：“开关转换器基础”P95-P107，P95～P107 作者：原田耕介、二宫保、顾文建，出版社：CORONA PUBLISHING CO., LTD. 1992年2月

 

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漏极和源极之间产生的浪涌

 

                                                       

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