最大限度地减少SIC FETs EMI和转换损失

这篇博客文章首次由联合硅碳化物(United Silicon Carbide)发表。加入科尔沃家族United SiC是硅碳化物(SiC)动力半导体的主要制造厂商,它扩大了科沃的电动车辆、工业电力、电路保护、可再生能源和数据中心电力迅速增长的市场。

对高效率、高功率密度和系统简单化的需求增加,使得硅碳化物(SiC)FETs因其快速切换速度、低RDS(on)和高电压评级而成为动力工程师的有吸引力的选择。

然而,SIC装置的快速开关速度导致越长的铃声持续时间越长,越快的VDS猛增,导致电离层电位越高。 对于在高功率应用(如EV和可再生能源)领域工作的工程师来说,在试图提高效率并释放这一先进技术的全部潜力而不会不必要地使设计复杂化时,这将是一个令人关切的问题。

What is VDS spike and ringing?

VDS冲刺和铃声的根源在于寄生虫的诱惑力。 如果我们看一下SIC MOSFET(图1)的典型转折波, 门源电压(VGS)从18V到0V, 排水流(ID)在50A时关闭, 公共汽车电压(VDS)为800V。 由于SIC MOSFETs的快速切换速度, VDS会高涨和长铃声。 高VDS的峰值将降低处理闪电和突然负载变化等条件下的电压遇险的装置空间。 长时间的电流将引入更多的 EMI 。 这一现象在目前的高水平上更加明显。

图1 周转空转的VDS激增,并用快速SIC装置按铃

Conventional Way

抑制EMI的标准解决办法是使用高门阻力(RG)降低目前的变化率(dI/dt),但这种方法会迫使效率与EMI之间的权衡。 事实上,使用高RG会大大增加转换损失。

另一种解决办法是减少电环偏差引力。 但是,它要求重新设计多氯联苯的布局和使用较小的、不具有感应性的包件。 此外,我们可以将多氯联苯的电环区最小化的程度有一定的限制,还有安全条例规定了最小的间隔和清除距离。 此外,通过使用较小的包件,我们牺牲热性能。

我们还制定了过滤设计,以帮助我们满足 EMI 要求,并放宽系统中的权衡。 除此之外,我们可以使用控制方法来减少 EMI;例如,频率抖动技术通过分散电力供应的噪音频谱来降低 EMI 。

New Way

一种更加有效和高效的方法是采用简单的RC 键,以缓解设计挑战并释放SIC装置的全部功率,这一简单的解决办法可以证明能够有效控制VDS的激增和响铃时间,在广泛的载荷范围以更高的效率控制,并可以忽略不计的关闭延迟。

由于 dv/dt 更快的 dv/dt 和额外的 Cs, 混凝土的流位值也较高,这意味着在交替过渡时,ID和VDS重叠较少。

我们可以看到使用双脉冲测试(DPT)研究脉冲效果的证据,这是一种半桥配置,带有感应负荷,高端和低端都使用同一装置:VGS、VDS和ID从低端装置中测量(图2)。

目前的变压器(CT) 测量设备与静脉流。 因此, 测量的切换损失包括设备切换损失和静脉损失。

如果使用一个脉冲,它就是一个200pF电容器,与SIC MOSFET的排水管和源头上一个10°C的抵抗器连在一起。

图2:半桥配置(与顶部设备相同)

图 3: RC 括号比较有效控制转折 EMI

首先,让我们比较转折(图3 ) 。 对于图1中的同一装置,左波形使用的是 RC 鼻涕和低 RG( 关闭 ) , 右波形使用的是高 RG( 关闭 ) , 而不是高 RG( 关闭 ) 。 这两种方法都限制了 VDS 峰值峰值峰值电压的转折; 但是, 脉冲使用33 来浸泡铃声, 而高 RG( 关闭 ) 仍然有超过100 年的响声时间。 另外, 左波形的延迟时间比使用高 RG( 关闭 ) 的时间要短。 因此, 左波形对控制 VDS 关节峰值和关闭时钟声持续时间更有效。

图 4: 驻地协调员在开放期间的批评效果

在开关一面(图4),如果我们将波形与RC的和RG(on)的和RG(on)的和无的作比较,我们可以看到,用略微的把峰值反向恢复从94A升至97A。 除此之外,它对开关的波形影响微乎其微。

这表明,在控制 VDS 峰值和铃声持续时间方面,这比高RG(RG)更有效。 但是,这是否更有效? (图5)

图5:变换损失(Eoff、Eon)与Snubber和RG(关闭)高的RG(关闭)的比较

At48A,我们发现,高RG(关闭)的转盘转机损失是低RG(关闭)的两倍多,而不是使用低RG(关闭)的模糊点的两倍多。 因此,在转盘中,这个斜点更有效率,因为它允许更快的转机,同时能更好地控制VDS的峰值和环

如果我们看看开关切换损失, 脉冲略微增加Eon平均70微J。 因此, 为了充分估计整体效率, 我们需要将Eoff和Eon加在一起, 并比较Etal( 图 6) 。 当设备以全速切换时, 显然在 18A 以上, 脉冲更有效率。 对于40A/ 40/kHz 的 40m 设备切换, 使用高 RG( 关闭) 和 低 RG( 关闭) 和 低 RG( 关闭) 与 低 RG( 关闭) 之间, 使用高RG( 关闭) 和 低 RG( 关闭) 之间的每只切换11W 。

图6:变换损失(合计)与高RG(关闭)的变换损失(合计)比较

因此,我们可以得出这样的结论:与使用高RG(关闭)相比,这个省略比使用高RG(关闭)更有效和更有效率。

随着我们进入第四代SIC设备,这个简单的设计解决方案将继续提供更低的总转换损失,同时优化系统电能效率。

我们最近的网络研讨会 — — 最小化 EMI 和 快速 SIC FET 转换损失 — — 能够以最高效的方式在联合SiC SiC 设备中释放出更多简单的省略器。

审核编辑 黄宇