寄生電感對(duì)SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響及其抑制

伍理勛，韓 洋，陸海峰，陳 磊

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子系，北京 100084）

SiC器件具有高結(jié)溫、高阻斷電壓、高熱導(dǎo)、低損耗等特點(diǎn)［1-3］，在高頻高功率密度應(yīng)用方面具有Si基器件無可比擬的優(yōu)勢，有望取代Si IGBT在電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。但由于SiC器件開關(guān)速度更快，開關(guān)暫態(tài)的振蕩會(huì)比Si基器件嚴(yán)重很多，振蕩會(huì)帶來開關(guān)損耗增加、EMI、可靠性等問題，因此研究寄生參數(shù)對(duì)于SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響非常重要。

1 SiC MOSFET雙脈沖模型搭建

雙脈沖平臺(tái)一般用于功率器件開關(guān)特性和驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)效果研究和驗(yàn)證。典型的雙脈沖測試電路的寄生參數(shù)分布如圖1所示，Rext是外部驅(qū)動(dòng)電阻，Rint是內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電阻，Rint可通過SiC MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）查得，本仿真平臺(tái)使用的是CREE公司生產(chǎn)的1 200 V、20 A的SiC MOSFET模型，Rint=4.6 Ω，驅(qū)動(dòng)電阻Rg=Rext+ Rint；Lg1、Ld1和Ls1是封裝帶來的寄生電感；Lg2和Lg3分別是驅(qū)動(dòng)電路連接?xùn)艠O、源極的寄生電感；Ls2是MOSFET外部共源極寄生電感；Ld2是MOSFET外部漏極寄生電感；Lpcb1和Lpcb2是功率回路PCB走線的寄生電感，同時(shí)Lpcb1還包含直流母線電容的等效串聯(lián)電感；L是負(fù)載電感；Cgs、Cgd、Cds是MOSFET柵源極、柵漏極、漏源極寄生電容；Cp是二極管結(jié)電容和負(fù)載電感L并聯(lián)電容的和。

圖1 典型的雙脈沖測試電路的寄生參數(shù)分布

根據(jù)功率環(huán)和驅(qū)動(dòng)環(huán)寄生電感作用的不同，可以把寄生電感分為3類：柵極寄生電感Lg、漏極寄生電感Ld、共源極寄生電感Ls。其中柵極寄生電感Lg=Lg1+Lg2+Lg3；漏極寄生電感Ld=Ld1+Ld2+Lpcb1+Lpcb2；共源極寄生電感Ls=Ls1+Ls2。簡化后的雙脈沖測試電路寄生參數(shù)分布如圖2所示。

利用CREE官網(wǎng)的C2M0080120D仿真模型搭建LTSpice的雙脈沖測試平臺(tái)，模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中直流母線電壓UDC=200 V，電容Cp=5 pF，負(fù)載電感L=150 μH，外部驅(qū)動(dòng)電阻Rext=10 Ω，分別討論Lg、Ld、Ls對(duì)MOSFET開關(guān)振蕩的影響。

圖2 簡化后雙脈沖測試電路的寄生參數(shù)分布

2 寄生電感對(duì)SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響

2.1 Lg的影響

控制Ld和Ls不變且足夠小，改變Lg的值，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，Lg會(huì)對(duì)Ugs的振蕩有略微的影響，但對(duì)Uds和Id的振蕩幾乎無影響，因此只要將Lg保持在一定值范圍內(nèi)，對(duì)于開關(guān)速度和開關(guān)振蕩都無影響。Lg的值不宜過大，防止驅(qū)動(dòng)電壓Ugs振蕩過于嚴(yán)重導(dǎo)致的誤導(dǎo)通或者超過MOSFET允許的Ugs值而造成的器件損壞。

2.2 Ld的影響

控制Lg和Ls不變且足夠小，改變Ld的值，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出，Ld對(duì)Ugs、Uds、Id的振蕩影響非常嚴(yán)重，說明漏極寄生電感Ld與寄生電容Cp和MOSFET輸出電容Coss（Coss=Cgd+Cds）發(fā)生強(qiáng)烈的振蕩，同時(shí)斷開的振蕩比接通時(shí)候的振蕩小很多，主要原因是因?yàn)閿嚅_的時(shí)間往往比接通時(shí)間更長，斷開速度更慢。因此設(shè)計(jì)變頻器時(shí)，一定要注意Ld的值，盡可能合理地走線和布局，減小漏極寄生電感Ld。

2.3 Ls的影響

控制Lg和Ld不變且足夠小，改變Ls的值，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

共源寄生電感Ls既屬于功率回路的組成成分，也是驅(qū)動(dòng)電路的一部分，因此在SiC MOSFET漏極電流快速變化的時(shí)候，共源寄生電感Ls會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電驅(qū)動(dòng)電路起“負(fù)反饋”的作用，導(dǎo)致SiC MOSFET的開關(guān)速度變慢，導(dǎo)致di/dt減小，電壓Uds下降時(shí)間延遲，增加了SiC MOSFET的開關(guān)損耗，沒有充分發(fā)揮SiC器件的性能，因此往往在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)盡可能減小共源寄生電感Ls，如利用開爾文連接等方式，所以在仿真模型中，把共源電感Ls控制在一個(gè)較小值范圍內(nèi)。從圖5也可以看出，Ls主要是影響SiC MOSFET的開關(guān)速度，而對(duì)SiC器件的開關(guān)振蕩影響也不明顯，只有對(duì)Ugs的振蕩有一些影響，主要是由于Ls對(duì)主電路電流變化did/dt有反饋?zhàn)饔?，同時(shí)Ls也屬于驅(qū)動(dòng)回路的組成成分，起著類似Lg的作用。

3 結(jié)論與抑制措施

通過仿真結(jié)果的驗(yàn)證，影響SiC MOSFET的開關(guān)振蕩的寄生電感主要是漏極寄生電感Ld，而共源極寄生電感Ls主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路起負(fù)反饋的作用，影響開關(guān)速度，柵極寄生電感Lg只對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓Ugs的振蕩有一定的影響，但只要控制在一定值內(nèi)，Lg對(duì)功率環(huán)基本無影響。因此在用SiC MOSFET作為變頻器功率開關(guān)器件時(shí)，PCB的設(shè)計(jì)非常重要，要注意盡可能減小漏極寄生電感Ld和共源寄生電感Ls，特別是在高頻的應(yīng)用場合。

圖3 Lg對(duì)SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響

抑制SiC MOSFET的開關(guān)振蕩的方式主要有2種：激勵(lì)源抑制，SiC MOSFET的開關(guān)振蕩是由于SiC基器件開關(guān)速度更快，引起寄生參數(shù)振蕩，類似文獻(xiàn)［4］提出的方法；主回路系統(tǒng)抑制，從SiC MOSFET開關(guān)振蕩波形看，類似于一個(gè)二階RLC欠阻尼振蕩，一方面是盡可能減小寄生電感，另一方面，在寄生電感很難繼續(xù)減小而振蕩依舊比較嚴(yán)重的時(shí)候可以增加緩沖電路，類似文獻(xiàn)［5］的方法，如加入一個(gè)RC電路，增加整個(gè)系統(tǒng)的阻尼達(dá)到抑制開關(guān)振蕩的效果。

圖4 Ld對(duì)SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響

圖5 Ls對(duì)SiC MOSFET開關(guān)振蕩的影響