柵極環(huán)路電感對(duì)SiC和IGBT功率模塊開關(guān)特性的影響分析

IGBT和碳化硅（SiC）模塊的開關(guān)特性受到許多外部參數(shù)的影響，例如電壓、電流、溫度、柵極配置和雜散元件。本系列文章將重點(diǎn)討論直流鏈路環(huán)路電感（DC?Link loop inductance）和柵極環(huán)路電感（Gate loop inductance）對(duì)VE?Trac IGBT和EliteSiC Power功率模塊開關(guān)特性的影響，本文為第二部分，將主要討論柵極環(huán)路電感影響分析。

測(cè)試設(shè)置

雙脈沖測(cè)試 (Double Pulse Test ，DPT) 采用不同的設(shè)置來分析SiC和IGBT模塊的開關(guān)特性。如表1所示，對(duì)于直流鏈路環(huán)路電感影響分析，可在直流鏈路電容和模塊之間添加母線來進(jìn)行。對(duì)于柵極環(huán)路電感影響分析，如表10所示，在柵極驅(qū)動(dòng)板和模塊之間添加外部插座或電線。為了研究模塊的開關(guān)特性，本次測(cè)試使用 900V、1.7mQ EliteSiC Power功率模塊 (NVXR17S90M2SPC)和 750V Field Stop 4 VE－Trac Direct模塊 (NVH950S75L4SPB) 作為待測(cè)器件(DUT)。

圖 1. 雙脈沖測(cè)試設(shè)置

IGBT的開關(guān)特性與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

柵極環(huán)路電感會(huì)對(duì)開關(guān)特性造成影響。針對(duì)NVH950S75L4SPB模塊，在滿足以下條件的情況下進(jìn)行了雙脈沖測(cè)試。

DUT: 低邊FS4 750V 950A IGBT 模塊 (NVH950S75L4SPB)

VDC = 400 V

IC = 600 A

VGE = +15/?8 V

RG(on) = 4.0 Q

RG(off) = 12.0 Q

Tvj= 25℃

表10顯示了三種不同的柵極環(huán)路電感與開關(guān)特性之間的測(cè)試配置。在柵極驅(qū)動(dòng)器和模塊之間添加了外部插座或延長(zhǎng)線，以模擬在柵極環(huán)路上增加的電感。

表 10. 柵極環(huán)路電感測(cè)試設(shè)置

圖10顯示了在IGBT導(dǎo)通階段，不同柵極環(huán)路測(cè)試配置下的波形對(duì)比，總結(jié)的特性如表11中所述。較長(zhǎng)的柵極環(huán)路測(cè)試設(shè)置顯示出較低的Eon值以及更快的di/dt。柵極環(huán)路電感主要由柵極環(huán)路長(zhǎng)度引起。在開始導(dǎo)通時(shí)，柵極環(huán)路電感能夠減緩升流（rising current）速度。當(dāng)柵極電壓達(dá)到米勒平臺(tái)時(shí)，環(huán)路電感充當(dāng)電流源（current source），該電流源通過向柵極提供更多電流來加快di/dt的變化。相較于直流鏈路環(huán)路，柵極環(huán)路長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)通特性的影響較小。同時(shí)，更高的柵極環(huán)路電感會(huì)增加?xùn)艠O電壓的過沖，這可能會(huì)因 RG 而失去可控性。

圖11展示了在IGBT關(guān)斷期間，不同柵極環(huán)路電感設(shè)置下的波形對(duì)比?？偨Y(jié)出的特性如表12所述。關(guān)斷特性相比于導(dǎo)通特性受到的影響較小。在關(guān)斷初期，由柵極回路電感引起的下沖電壓略有不同，但并不會(huì)對(duì)關(guān)斷特性造成實(shí)質(zhì)性影響。當(dāng)柵極電壓達(dá)到米勒平臺(tái)階段時(shí)，dV/dt和di/dt會(huì)因下沖電壓而略有變化，但在短時(shí)間內(nèi)會(huì)被柵極灌電流迅速恢復(fù)。

圖 10. IGBT導(dǎo)通波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

表 11. 總結(jié)：IGBT導(dǎo)通特性與柵極環(huán)路電感

圖11展示了在IGBT關(guān)斷期間，不同柵極環(huán)路電感設(shè)置下的波形對(duì)比?？偨Y(jié)出的特性如表12所述。關(guān)斷特性相比于導(dǎo)通特性受到的影響較小。在關(guān)斷初期，由柵極回路電感引起的下沖電壓略有不同，但并不會(huì)對(duì)關(guān)斷特性造成實(shí)質(zhì)性影響。當(dāng)柵極電壓達(dá)到米勒平臺(tái)階段時(shí)，dV/dt和di/dt會(huì)因下沖電壓而略有變化，但在短時(shí)間內(nèi)會(huì)被柵極灌電流迅速恢復(fù)。

圖 11. IGBT關(guān)斷波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

表 12. 總結(jié)：IGBT關(guān)斷特性與柵極環(huán)路電感(LG)

SiC MOSFET開關(guān)特性與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

本小節(jié)分析了不同柵極環(huán)路電感(LG)對(duì)SiC MOSFET 開關(guān)特性的影響。在與表 10 相同的測(cè)試條件下，對(duì) NVXR17S90M2SPC 模塊進(jìn)行了雙脈沖測(cè)試，測(cè)試條件如下。

DUT: 低邊NVXR17S90M2SPC

VDC = 400 V

IC?= 600 A

VGE?= +18/?5 V

RG(on)?= 3.9 Q

RG(off)?= 1.8 Q

Tvj= 25℃

圖 12 顯示了 SiC MOSFET 導(dǎo)通期間，柵極環(huán)路測(cè)試不同設(shè)置下的波形比較，表 13 對(duì)其特性進(jìn)行了總結(jié)。與 IGBT 的情況一樣，較長(zhǎng)的柵極環(huán)路測(cè)試條件下，較快的 di/dt 導(dǎo)致較低的 Eon 和較高的 VSD_peak峰值電壓。

圖 12. SiC MOSFET導(dǎo)通波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

表 13. 總結(jié)：SiC MOSFET 導(dǎo)通特性與柵極環(huán)路電感

圖13展示了在SiC MOSFET關(guān)斷期間，不同柵極環(huán)路電感設(shè)置下的波形對(duì)比?？偨Y(jié)出的特性如表14中所述。在測(cè)試時(shí)，若使用較高的柵極環(huán)路電感，即使VDS過沖電壓增大，也會(huì)反應(yīng)出較快的di/dt及較低的Eoff。關(guān)斷后，可作為電磁干擾(EMI)噪聲源的ID振蕩幅度取決于柵極環(huán)路的長(zhǎng)度。

圖 13. SiC MOSFET關(guān)斷波形與柵極環(huán)路電感(LG)的關(guān)系

表 14. 總結(jié)：SiC MOSFET關(guān)斷特性與柵極環(huán)路電感

總結(jié)

在本應(yīng)用筆記中分析了電感對(duì)IGBT和SiC MOSFET模塊開關(guān)特性的影響。較高的直流鏈路環(huán)路電感設(shè)置會(huì)在Eoff和Err較高時(shí)導(dǎo)致較低的Eon。此外，結(jié)果顯示，在23nH和37nH測(cè)試設(shè)置之間的總開關(guān)損耗差距小于2mJ。這可能會(huì)讓人誤認(rèn)為雜散電感對(duì)開關(guān)損耗影響不大。

然而，為了符合RBSOA和EMC的要求，調(diào)整外部柵極電阻（RG）或其他系統(tǒng)參數(shù)很有必要，盡管這樣做會(huì)犧牲 di/dt 的可控性并且增加開關(guān)損耗。圖14和圖15展示了在優(yōu)化外部RG前后，直流鏈路環(huán)路電感條件下IGBT和SiC的開關(guān)損耗情況。在優(yōu)化外部RG之前，采用較高的直流鏈路環(huán)路電感設(shè)置，總開關(guān)損耗相似，但在針對(duì)系統(tǒng)性能優(yōu)化外部RG之后，當(dāng)直流鏈路環(huán)路電感從23nH變?yōu)?7nH時(shí)，IGBT和SiC案例中的總損耗分別增加了20%和92%。

圖 14. IGBT 總損耗比較

圖 15. SiC MOSFET 總開關(guān)損耗比較

較高的柵極環(huán)路電感設(shè)置在米勒平臺(tái)效應(yīng)后，通過電感效應(yīng)帶來稍快的導(dǎo)通瞬態(tài)。從開關(guān)損耗的角度來看，其影響比直流鏈路環(huán)路電感要小一些。由于不希望出現(xiàn)柵極過沖現(xiàn)象，較高的柵極環(huán)路電感會(huì)導(dǎo)致柵極控制能力降低。從短路情況來看，這種電感會(huì)拉高柵極電壓，因此，通過增加?xùn)艠O電壓可以縮短短路耐受時(shí)間。此外，較長(zhǎng)的柵極環(huán)路可以充當(dāng)天線，電磁噪聲抗干擾能力差，并且可能對(duì)其他電路產(chǎn)生干擾。

IGBT 開關(guān)損耗與柵極環(huán)路電感的關(guān)系

總之，最小化直流鏈路和柵極環(huán)路電感對(duì)于IGBT/SiC的開關(guān)應(yīng)用是必要的，在滿足可控性和電磁兼容性的同時(shí)獲得更低的開關(guān)損耗。