SiC MOSFET的EMI和開關(guān)損耗解決方案解析

碳化硅（SiC）MOSFET的快速開關(guān)速度，高額定電壓和低RDSon使其對(duì)于不斷尋求在提高效率和功率密度的同時(shí)保持系統(tǒng)簡(jiǎn)單性的電源設(shè)計(jì)人員具有很高的吸引力。

但是，由于它們的快速開關(guān)速度會(huì)產(chǎn)生高振鈴持續(xù)時(shí)間的高漏源電壓（VDS）尖峰，因此會(huì)引入EMI，尤其是在高電流水平下。

了解VDS尖峰和振鈴

寄生電感是SiC MOSFET VDS尖峰和振鈴的主要原因。查看關(guān)斷波形（圖1），柵極-源極電壓（VGS）為18V至0V。關(guān)斷的漏極電流為50A，VDS為800V。SiC MOSFET的快速開關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致高VDS尖峰和較長(zhǎng)的振鈴時(shí)間。這種尖峰會(huì)降低設(shè)備的設(shè)計(jì)裕量，以應(yīng)對(duì)閃電條件或負(fù)載的突然變化，并且較長(zhǎng)的振鈴時(shí)間會(huì)引入EMI。在高電流水平下，此事件更加明顯。

圖1 VDS尖峰和關(guān)斷時(shí)通過SiC MOSFET產(chǎn)生的振鈴（1200V 40mOhm）

常見的EMI去除技術(shù)

抑制EMI的常規(guī)方法是降低通過器件的電流速率（dI / dt），這是通過使用高柵極電阻（RG）來實(shí)現(xiàn)的。但是，較高的RG會(huì)顯著增加開關(guān)損耗，從而損失效率。

抑制EMI的另一種方法是降低電源環(huán)路的雜散電感。但是，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，PCB的布局需要更小的電感。但是，最大程度地減小電源環(huán)路是有限的，并且必須遵守最小間距和間隙安全規(guī)定。使用較小的封裝也會(huì)影響熱性能。

濾波器設(shè)計(jì)可用于幫助滿足EMI要求并減輕系統(tǒng)權(quán)衡。控制技術(shù)（例如，頻率抖動(dòng)）還可以降低電源的EMI噪聲。

使用RC緩沖器

使用簡(jiǎn)單的RC緩沖器是一種更有效的方法。它可控制VDS尖峰并以更高的效率和可忽略的關(guān)閉延遲來縮短振鈴時(shí)間。借助更快的dv/dt和額外的電容器，緩沖電路具有更高的位移電流，從而降低了關(guān)斷過渡時(shí)的ID和VDS重疊。

雙脈沖測(cè)試（DPT）證明了RC緩沖器的有效性。它是帶有感性負(fù)載的半橋。橋的高邊和低邊都使用相同的器件，在低邊測(cè)量了VGS，VDS和ID（圖2）。電流互感器（CT）同時(shí)測(cè)量設(shè)備和緩沖電流。因此，測(cè)得的總開關(guān)損耗包括器件損耗和緩沖損耗。

圖2.半橋配置（頂部和底部使用相同的設(shè)備）

RC緩沖器只是一個(gè)200pF電容器和一個(gè)10Ω電阻器，串聯(lián)在SiC MOSFET的漏極和源極之間。

圖3：RC緩沖器（左）比高RG（右）更有效地控制關(guān)斷EMI

在圖3中，比較了圖1中相同設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)。左波形使用具有低RG（關(guān)）的RC緩沖器，而右波形具有高RG（關(guān)）且無緩沖器。兩種方法都限制了關(guān)斷峰值尖峰漏極——源極電壓VDS。但是，通過將振鈴時(shí)間減少到僅33ns，緩沖電路更加有效，并且延遲時(shí)間也更短。

圖4.比較顯示，使用RC緩沖器在開啟時(shí)影響很小

圖4比較了帶有RC緩沖器（左）和不帶有RC緩沖器的5ΩRG（開）下的波形。 RC緩沖器的導(dǎo)通波形具有稍高的反向恢復(fù)峰值電流（Irr），但沒有其他明顯的差異。

RC緩沖器比高RG（關(guān)）更有效地控制VDS尖峰和振鈴持續(xù)時(shí)間，但這會(huì)影響效率嗎？

圖5.緩沖器和高RG（off）之間的開關(guān)損耗（Eoff，Eon）比較

在48A時(shí)，高RG（關(guān)）的關(guān)斷開關(guān)損耗是低RG（關(guān)）的緩沖器的兩倍多，幾乎與不使用緩沖器的開關(guān)損耗相當(dāng)。因此，可以得出這樣的結(jié)論：緩沖器效率更高，可以更快地切換和控制VDS尖峰并更有效地振鈴。從導(dǎo)通開關(guān)損耗來看，緩沖器只會(huì)稍微增加Eon。

圖6.緩沖器與高RG（關(guān)閉）的總開關(guān)損耗（Etotal）的比較

為了更好地理解整體效率，將Eoff和Eon一起添加了Etotal（圖6）。全速切換時(shí)，緩沖器在18A以上時(shí)效率更高。對(duì)于以40A / 40kHz開關(guān)的40mΩ器件，使用RC緩沖器的高和低RG（關(guān)）之間的損耗差為11W?？傊?，與使用高RG（關(guān)）相比，緩沖器是一種將EMI和開關(guān)損耗降至最低的更簡(jiǎn)單，更有效的方法。

隨著第四代SiC器件進(jìn)入市場(chǎng)，這種簡(jiǎn)單的解決方案將繼續(xù)使工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)以獲得最佳效率。

編輯：hfy