高速功率器件的dv/dt和di/dt到底有多大？

前 言

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大家好，我們都知道功率半導(dǎo)體器件屬于電力電子開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度非?？欤?秒可以開(kāi)關(guān)上千次（kHz），高速功率器件可達(dá)到幾十kHz，甚至上百kHz。開(kāi)關(guān)速度越快意味著器件的電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt也就越大。影響dv/dt和di/dt的主要因素是器件材料，其次是器件的電壓、電流、溫度以及驅(qū)動(dòng)特性。為了加深大家對(duì)高速功率半導(dǎo)體器件的理解，今天我們以SiC和GaN為例來(lái)聊一下這個(gè)話題，看看高速功率器件的dv/dt和di/dt到底有多大？

開(kāi)關(guān)暫態(tài)參數(shù)定義

02

首先，讓我們先來(lái)看一下SiC MOSFET開(kāi)關(guān)暫態(tài)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，圖片來(lái)源于Cree官網(wǎng)SiC MOS功率模塊的datasheet。開(kāi)通暫態(tài)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)包括：開(kāi)通時(shí)間ton、開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、開(kāi)通電流上升率di/dton、開(kāi)通電壓下降率dv/dton，電流上升時(shí)間tr，如下圖所示：

關(guān)斷暫態(tài)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)包括：關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、關(guān)斷電流下降率di/dtoff、關(guān)斷電壓上升率dv/dtoff，以及電流下降時(shí)間tf，如下圖所示：

本期我們重點(diǎn)聊一下開(kāi)關(guān)暫態(tài)的電壓、電流變化率，其它參數(shù)不做分析。通過(guò)以上器件開(kāi)關(guān)曲線我們可以得到兩個(gè)主要信息：①SiC MOS開(kāi)關(guān)暫態(tài)上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf主要是指電流，為什么沒(méi)有給出電壓的上升和下降時(shí)間，老耿也不太清楚，有可能是因?yàn)閮烧叨际且粋€(gè)數(shù)量級(jí)，畢竟這個(gè)參數(shù)意義也不大，主要用來(lái)形容器件速度有多快，有其它見(jiàn)解的小伙伴可以告訴我；②SiC MOS開(kāi)關(guān)暫態(tài)電壓、電流變化率的選取時(shí)間是電流和電壓幅值的40%-60%，這個(gè)相對(duì)好理解，主要是因?yàn)槠骷_(kāi)關(guān)暫態(tài)是非線性的，選擇變化率最大的一段最能說(shuō)明問(wèn)題。

dv/dt，di/dt量化分析

03

了解了SiC MOS的開(kāi)關(guān)暫態(tài)參數(shù)定義后，讓我們看看SiC MOS的dv/dt和di/dt到底有多大？下面以Cree公司的1200V 300A 模塊為例進(jìn)行介紹，器件型號(hào)為CAS300M12BM2，模塊實(shí)物圖和內(nèi)部電路如下圖：

下圖為25℃的室溫下，SiC MOS在600V母線電壓和300A電流下dv/dt、di/dt與柵極電阻的關(guān)系曲線，可以看出隨著器件柵極電阻的增大，其開(kāi)關(guān)暫態(tài)的di/dt和dv/dt都會(huì)減小，這個(gè)也比較好理解，柵極電阻增大，器件的開(kāi)關(guān)速度就會(huì)減小。

這里有個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要大家記住，MOS器件門(mén)極是直接可以控制電流變化率的，而對(duì)于IGBT 門(mén)極電阻對(duì)關(guān)斷電流變化率的影響卻很有限，具體機(jī)理可以參考老耿以前的文章：

IGBT關(guān)斷過(guò)程是怎樣的？(第一講)

在這里我們假設(shè)器件的柵極電阻為2歐姆，那SiC MOS開(kāi)通暫態(tài)下的dv/dton和di/dton分別為：17.5V/ns和9A/ns，而關(guān)斷暫態(tài)下的dv/dtoff和di/dtoff分別為12V/ns和12A/ns，對(duì)于這個(gè)數(shù)值有些小伙伴可能沒(méi)有太直觀的概念，后面我們會(huì)和其它弱電信號(hào)對(duì)比一下，就比較清楚了。

讓我們?cè)倏纯锤焖俚腉aN-HEMT（GalliumNitride,HighElectronMobilityTransistor，氮化鎵-高電子遷移率晶體管），直接上圖對(duì)比：

與同等導(dǎo)通電阻下與SiC MOS相比，GaN的開(kāi)通速度快~4倍，關(guān)斷速度快~2倍，下圖為GaN在450V/30A下的關(guān)斷測(cè)試波形，關(guān)斷電壓dv/dt已經(jīng)達(dá)100V/ns，這里沒(méi)有查到di/dt相關(guān)數(shù)據(jù)（GaN電流測(cè)量是個(gè)問(wèn)題），速度肯定也會(huì)比sic更快。

感興趣的小伙伴可以去看一下IGBT的手冊(cè)，IGBT的dv/dt和di/dt都是按us來(lái)計(jì)算的，而SiC和GaN如果還按照us來(lái)算的話，那GaN的關(guān)斷dv/dt可達(dá)100000V/us，而SiC MOS模塊的關(guān)斷di/dt可達(dá)12000A/us，這個(gè)數(shù)據(jù)就很大了，想想1us就撬動(dòng)上萬(wàn)安培的電流和上萬(wàn)伏特的電壓是不是不可思議?

不過(guò)回過(guò)頭來(lái)，再仔細(xì)想想這句話“1us可以撬動(dòng)上萬(wàn)安培的電流和上萬(wàn)伏特的電壓”是個(gè)偽命題，事實(shí)上GaN和SiC是不可能在1us內(nèi)改變上萬(wàn)V的電壓和上萬(wàn)A的電流的，還要靠IGBT、IGCT、IEGT、SCR這幾個(gè)老大哥，不過(guò)已經(jīng)見(jiàn)過(guò)不少學(xué)術(shù)論文研究10kV以上的的SiC功率器件了（電流很?。?，在這里老耿只想強(qiáng)調(diào)GaN和SiC器件的dv/dt和di/dt非常大，大家不要被帶偏了！如果把這么快的邊沿比作一把利劍，那肯定會(huì)削鐵如泥、吹毛斷發(fā)。

為了更好的理解功率器件的高速開(kāi)關(guān)暫態(tài)，讓我們?cè)俸腿蹼娦盘?hào)對(duì)比一下。大家對(duì)電力電子中應(yīng)用最多的DSP都比較熟悉，那就讓我們看看DSP GPIO數(shù)輸出邊沿跳變時(shí)間，下圖為T(mén)M320F28335 GPIO的上升沿和下降沿時(shí)間：

可以看出DSP普通IO的上升沿和下降沿最大也就8ns，這個(gè)時(shí)間已經(jīng)很短了，但是信號(hào)的電平也很小，只有3.3V 。這樣算下來(lái)GPIO的dv/dt大概在0.41V/ns。沒(méi)對(duì)比就沒(méi)有傷害，原來(lái)功率器件的dv/dt速度都超過(guò)DSP GPIO輸出電平的跳變速度了。

可能有小伙伴會(huì)有疑問(wèn)，上面的只是DSP起家普通IO的速度，并不具代表性，然后老耿又查閱了一些資料，下面為T(mén)TL、CMOS、LVDS和ECL常用的數(shù)字邏輯電平的邊沿跳變時(shí)間，可以看出最快的可達(dá)100ps，帶寬已經(jīng)到了3.5GH。然而隨著信號(hào)速度的提升，電平的幅值都會(huì)減小，而且大部分都采用差分信號(hào)，例如ECL電平擺幅卻只有0.8V，這樣算下來(lái)電平的dv/dt只有8V/ns，這樣和最快的功率器件對(duì)比還是有一點(diǎn)差距。

當(dāng)然還有老耿不知道的高速信號(hào)，感興趣的小伙伴可以自己去找找。

dv/dt，di/dt負(fù)面影響？

04

由于dv/dt和di/dt過(guò)高的開(kāi)關(guān)速度，電路的中的寄生參數(shù)總算可以體現(xiàn)自己的“價(jià)值”了。以SiC MOS關(guān)斷暫態(tài)的dv/dt和di/dt為例，12A/ns的di/dt在1nH的雜感就會(huì)產(chǎn)生12V的壓降，12V/ns在1pF的電容就會(huì)產(chǎn)生12mA的電流，而事實(shí)上功率主回中的寄生參數(shù)可能會(huì)遠(yuǎn)大于1nH和1pF。由于這些寄生參數(shù)的存在，電流就會(huì)肆無(wú)忌憚的在電路中任意流動(dòng)，即使是隔離電路對(duì)他們束手無(wú)策，因?yàn)榇蟛糠指綦x變壓器要做到幾個(gè)pF的寄生電容也不太容易，所以說(shuō)高速功率器件的應(yīng)用對(duì)功率回路的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

除了以上影響外，過(guò)高的dv/dt和di/dt還會(huì)拓寬EMI的輻射頻譜，這一塊我們后面有機(jī)會(huì)可以在進(jìn)一步分析，今天就不深入探討了。

今天就給大家分享到這里，以上內(nèi)容若有不對(duì)之處，請(qǐng)大家批評(píng)指正！如果您覺(jué)得有所收獲，請(qǐng)幫忙點(diǎn)贊，轉(zhuǎn)發(fā)，使本文被更多需要的人看到，謝謝！

審核編輯 ：李倩