系统寄生参数对SiC器件开关的影响分析

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/ 摘要/

本文分析了系统寄生参数对SiC(碳化硅)器件使用的影响。本文还研究了SiC MOS开关开通时的过流机理，以及开通电流振荡的原因。除了寄生电感对功率器件电压应力的影响外，本文还讨论了系统设计中寄生电容对开通电流应力、电流振荡和开通损耗的负面影响。

 

01

导言

 

随着SiC技术的发展和电力电子行业的增长，SiC器件越来越受到工程师们的青睐。主要半导体制造商正在开发从平面栅到沟槽栅的各种器件[1,2]。这主要是由于碳化硅作为一种宽禁带半导体，具有较低传导损耗的优势。这使得高压MOSFET和高压SiC肖特基二极管的产品化成为可能。

 

02

开通电流过冲

 

传统的PN结二极管具有反向恢复效应，而肖特基结构的单极理论中不存在这种效应[3,4]。然而，在实际应用中，当电流在SiC MOS和SiC肖特基二极管换流时，MOSFET的开通电流存在类似于反向恢复的过冲电流现象。

 

2.1 

碳化硅肖特基二极管中的换向电流过冲

 

理论上,肖特基二极管没有PN结或剩余电荷，因此不存在反向恢复。然而，在图1所示的仿真结果（使用SPICE模型）中，可以观察到在MOSFET开通（二极管关断）期间有类似于反向恢复的电流。这是由于二极管的结电容在开关瞬间充电所致。具体来说，如果上桥臂的开关开通，下桥臂二极管的结电容充电会产生结电流。

 

图1.SiC MOSFET开关过程仿真结果

图2.续流二极管与电容Ca并联时换流的仿真结果

 

当在续流桥臂上并联不同值的电容（无、100pF、200pF、300pF）时，仿真结果如图2所示。可以看出，随着并联二极管电容的增大，等效反向恢复电流也随之增大。仿真数据汇总如表1所示，可以看出等效反向恢复电流越大，换向开关导通时的电流IQ1就越大。

 

表1. 并联电容续流二极管的数据汇总

 

总之，在碳化硅肖特基二极管中看到的明显反向恢复电流是由寄生电容的存在造成的。当开关开通时，二极管导通电压给寄生电容充电，导致电流叠加到开关上。

 

2.2 

SiC MOS开关开通电流过冲

 

这一细节将在最后的论文中讨论。

 

03

开关电流振荡

 

图3显示了SiC MOS开关的测量波形。它显示了开通瞬间存在明显电流过冲，及电流振荡。

 

图3.SiC MOS和SiC肖特基换向器开关的测量波形

图4.将系统寄生参数考虑在内的SiC MOS和SiC肖特基换流仿真

 

其主要原因是功率回路的电感与回路的寄生电容产生了谐振[5]。可以通过仿真分析这一原因。仿真电路如图4所示。

 

3.1 

续流开关(交流/母线负)寄生电容

对振荡的影响

 

我们考虑了功率器件的寄生参数,而不是主回路的寄生参数。TO-247封装的典型寄生电感Lq约为13nH，所选二极管的寄生电感Ld约为6.5nH。开通时刻的电路振荡回路如图5b所示。通过将额外的杂散电感La串入主回路，并将寄生电容Ca并入续流桥臂，得到了IQ1的仿真频率,其计算结果如表2所示。

 

 

a.Ca=none时的电流振荡频率

b.等效振荡回路

图5.考虑Ca时的开通电流振荡。

 

表2. 带并联电容器Ca的续流开关的振荡频率数据

 

从这些结果可以看出，当不考虑系统电路的寄生电容，只考虑功率器件的电容时，振荡由环路3决定。当有额外的寄生电容Ca时，振荡主要由环路1决定。

 

3.2 

开关(或交流/母线正)寄生电容

对振荡的影响

 

这一细节将在最后的论文中讨论。

 

04

系统寄生参数对SiC MOS开关的影响

 

4.1 

寄生电容的影响

 

假设母线的寄生电感为La=15nH，分析了带有寄生电容的连续器（或Ac和Bus-）的寄生电容。模拟结果如图6所示。结果表明，随着电容Ca的增大，振荡频率降低，过充电电流的峰值增大。

 

仿真结果汇总于表3。随着电容Ca的增大，导通损耗增大，关断损耗减小。

 

图6寄生电容Ca对开通电流振荡的影响。

 

表3. 续流开关并联电容Ca对开关损耗的影响

 

4.2 

寄生电感的影响

 

这一细节将在最后的论文中讨论。

 

05

结论

 

本文讨论了系统寄生参数对SiC器件开关性能的影响，并进行了仿真分析。论文重点讨论了SiC MOS 器件在开关期间由于寄生电容的存在而产生的导通电流尖峰、电流振荡以及对Eon损耗的影响。