將dv/dt從45V/ns降至5V/ns而不帶來(lái)過(guò)長(zhǎng)開/關(guān)延遲方案

本文重點(diǎn)而又全面地介紹了三種將dv/dt從45V/ns降至5V/ns而不帶來(lái)過(guò)長(zhǎng)開/關(guān)延遲時(shí)間的方法：使用外部柵漏電容器、對(duì)器件增加RC緩沖電路，以及使用JFET直接驅(qū)動(dòng)。在每種情況下，都是在T0247-4L封裝中采用了一個(gè)1，200V SiC FET，且Rdson為9mΩ，并在75A/800V下開關(guān)。在探索每種情形時(shí)，都是先使用SiC FET的SPICE模塊進(jìn)行模擬，然后使用雙脈沖電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量打開和關(guān)閉時(shí)間，從而驗(yàn)證模擬結(jié)果。

使用外部Cgd電容

在此方法中，外部Cgd電容器Cgdext置于半橋配置的高側(cè)和低側(cè)FET的柵極與漏極之間，參見圖1。

圖1：帶外部Cgd的柵極驅(qū)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)dv/dt控制。（來(lái)源：UnitedSiC）

對(duì)于SiC FET，Cgdext的計(jì)算值為68pF，而且在進(jìn)行模擬時(shí)，電路中包含一個(gè)20nH的串聯(lián)寄生電感（Lpar）。在使用分立器件而且Cgd電容器的連接位置盡可能靠近FET的真實(shí)情況下，該寄生電感可以小一些。如果使用FET模塊，則電容器可能需要置于模塊外，這表示寄生電感會(huì)接近20nH。

圖2：使用68pF的外部Cgd電容器和33Ω的Rg。左邊為關(guān)閉期間的Ids（藍(lán)色）、Vgs（橙色）和Vds（綠色）值，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，虛線為SPICE模擬值。右邊為打開期間的值。請(qǐng)注意，本文全文都使用了上述追蹤色約定。（來(lái)源：UnitedSiC）

圖2說(shuō)明了外部Cgd電容器的SPICE模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)樵陂_關(guān)期間，Ids相對(duì)較低，估計(jì)為0.54A，所以外部電容器可以容許20nH寄生電感。當(dāng)使用68pF電容器且Rg介于10Ω至33Ω之間時(shí)，根據(jù)測(cè)量和計(jì)算，此方法的dv/dt介于25V/ns至5V/ns之間。參見圖3。

圖3：使用68pF外部電容器時(shí)，在實(shí)驗(yàn)和SPICE模塊模擬情況下，依Rg而定的dv/dt圖。（來(lái)源：UnitedSiC）

結(jié)果表明，當(dāng)使用FET模塊，將Cgd置于電路板上，且接受一定的寄生電感時(shí)，適合使用這種方法來(lái)降低dv/dt。

跨各FET使用RC緩沖電路

另一種控制dv/dt的方法是跨高側(cè)和低側(cè)FET的漏極和源極連接一個(gè)RC緩沖電路。參見圖4。

圖4：跨高側(cè)和低側(cè)FET并聯(lián)的緩沖電路的示意圖。（來(lái)源：UnitedSiC）

在這個(gè)示例中，如同外部柵漏電容器一樣，電路中添加了一個(gè)20nH寄生電感，它與電容器（Csnubber）和電阻（Rsnubber）串聯(lián)。當(dāng)使用分立FET時(shí)，RC元件可以盡量靠近FET，理想的情況是直接與引腳連接，屆時(shí)，寄生電感可以達(dá)到最小值。實(shí)驗(yàn)緩沖電路采用了一個(gè)5.6nF的電容器和一個(gè)0.5Ω電阻。SPICE模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，這種方法可以將dv/dt從50V/ns降低至5V/ns。參見圖5和圖6。

圖5：跨各FET的漏源使用RC緩沖電路。實(shí)驗(yàn)值以實(shí)線表示，SPICE模擬值以虛線表示。該測(cè)試在75A/800V柵極驅(qū)動(dòng)下采用5.6nF電容器和0.5Ω電阻執(zhí)行。左邊為關(guān)閉波形，右邊為打開波形。（來(lái)源：UnitedSiC）

圖6：使用RC緩沖電路時(shí)，實(shí)驗(yàn)值和模擬值的dv/dt圖。（來(lái)源：UnitedSiC）

由于電容值較低，增加緩沖電路帶來(lái)的開關(guān)損耗非常小，在10kHz開關(guān)頻率下僅僅約2W。相對(duì)較高的模擬寄生電感值（20nH）表明，RC緩沖電路的布置可能位于FET模塊外，它可將dv/dt降低90%。

JFET直接驅(qū)動(dòng)法

最后一種降低dv/dt的方法是使用直接驅(qū)動(dòng)的JFET布置，參見圖7。在這種電路中，啟動(dòng)時(shí)即打開Si MOS器件，且JFET柵極電壓介于-15V至0V之間。

圖7：直接驅(qū)動(dòng)的JFET布置。（來(lái)源：UnitedSiC）

這需要PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和啟用信號(hào)，但是要維持常關(guān)狀態(tài)。高側(cè)JFET柵極電壓為-15V，以保證在開關(guān)瞬態(tài)期間，它為關(guān)閉狀態(tài)。同樣，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行測(cè)量，并用SPICE模塊進(jìn)行電路模擬。結(jié)果請(qǐng)參見圖8和圖9。由于SiC JFET的Crss（Cgd）大，一個(gè)4.7Ω的小Rg就足以將dv/dt降低至5V/ns。

圖8：使用JFET直接驅(qū)動(dòng)法。實(shí)驗(yàn)值以實(shí)線表示，SPICE模擬值以虛線表示。左側(cè)為關(guān)閉波形，右側(cè)為打開波形。采用75A/800V電路，Rg為4.7Ω。（來(lái)源：UnitedSiC）

圖9：采用JFET直接驅(qū)動(dòng)法的dv/dt圖，顯示了實(shí)驗(yàn)波形和SPICE波形。（來(lái)源：UnitedSiC）

表1：三種dv/dt降低法的SPICE模擬性能摘要。（來(lái)源：UnitedSiC）

結(jié)論

表1重點(diǎn)介紹了在75A/800V電路中降低dv/dt的三種不同方法的SPICE模擬預(yù)測(cè)值摘要。在三種方法中，JFET直接驅(qū)動(dòng)法的能耗最低。不過(guò)，直接驅(qū)動(dòng)法需要-15V驅(qū)動(dòng)信號(hào)和啟用信號(hào)，增加了元件數(shù)和電路復(fù)雜性。外部Cgd電容器法和RC緩沖電路法的開關(guān)損耗略高，但是不需要到JFET柵極的通路。如使用分立FET，則這兩種方法都可以在電路板上輕松實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)UnitedSiC FET不提供到JFET柵極的通路，但是采用TO247-4L封裝的新雙柵極產(chǎn)品已經(jīng)在開發(fā)中。這種方法還適合與添加了JFET柵極引腳的模塊配合使用。在所有情況下，SPICE模擬中都計(jì)入了20nH寄生電感的影響，結(jié)果證明，一定量的電感不會(huì)影響dv/dt的降低。

RC緩沖電路法的突出特點(diǎn)是無(wú)法分別控制打開和關(guān)閉dv/dt，參見表1。然而，由于Rgon和Rgoff電阻分離，Cgd法和JFET直接驅(qū)動(dòng)法可以分別控制這二者。

本文展示了三種顯著降低dv/dt的方法。鑒于UnitedSiC FET的低導(dǎo)電損耗和短路條件下的穩(wěn)健特性，采用UnitedSiC FET能讓這三種方法成為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)中高效且可靠的選擇。
編輯：hfy