1200V 300A SiC MOSFET開關(guān)性能評(píng)估

由于快速開關(guān)、傳導(dǎo)損耗和擊穿電壓增加，碳化硅 MOSFET在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中的使用有所增加。憑借最快速的切換速度和更高的頻率授權(quán)，該框架減小了尺寸并提高了系統(tǒng)效率。大功率 SIC MOSFET 模塊是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中可接受的 Si IGBT 替代品。在逆變器和電機(jī)彼此遠(yuǎn)離的情況下，由于反射波，較高的 dV/dt 會(huì)給電機(jī)繞組保護(hù)帶來額外負(fù)載，這對(duì)于大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用來說非常常見。1由于切換速度更快，即使電纜很短，不同的應(yīng)用也需要一個(gè) dV/dt 濾波器?？梢詾?SiC MOSFET 精確設(shè)計(jì)輸出濾波器。2IGBT 的開關(guān)性能隨著電流的大小而變化。相比之下，電纜長(zhǎng)度對(duì)開關(guān)裝置3 的影響很大；碳化硅 MOSFET 表現(xiàn)出對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的更高依賴以及隨著長(zhǎng)度變化而擴(kuò)大的變化。對(duì)于更高的開關(guān)頻率，應(yīng)縮短連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷相腿之間的控制死區(qū)時(shí)間 (T d )，以保持控制性能和模塊保護(hù)之間的最佳平衡。4電纜長(zhǎng)度和輸出濾波器對(duì) SiC MOSFET 開關(guān)性能的影響以及與 Si IGBT 性能的基準(zhǔn)測(cè)試尚未得到充分探討。4在簡(jiǎn)單工程中修改控制死區(qū)時(shí)間的能力非常關(guān)鍵；在控制新一代設(shè)計(jì)的不同設(shè)置情況下，SiC MOSFET 的性能變化。由于寄生和各種框架安排的多方面性質(zhì)，長(zhǎng)電纜和 dV/dt 濾波器的影響很難在重演中鞏固。本文將討論 1,200V 300A SiC MOSFET 的性能以及電纜長(zhǎng)度、死區(qū)時(shí)間和輸出濾波器等不同變量對(duì)其開關(guān)頻率的影響。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖 1顯示了測(cè)試裝置的電路圖。雙脈沖測(cè)試（DPT）用于檢查電流水平下的開關(guān)性能。一個(gè)難以區(qū)分的入口驅(qū)動(dòng)電路用于整個(gè)評(píng)估。使用 500-VDC 總線電源，并使用 9,200-μF 電解頂部組來保持傳輸電壓。重疊的傳輸條有助于最小化圓形寄生電感。

負(fù)載電流的大小會(huì)影響 IGBT 和 MOSFET 的速度。開關(guān)是通過柵極充電和釋放來實(shí)現(xiàn)的，它依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電路和環(huán)路電流。MOSFET 開關(guān)速度僅取決于在中負(fù)載或重負(fù)載情況下的柵極驅(qū)動(dòng)電路。5另一方面，在小負(fù)載的情況下，來自電源回路的柵極充電或放電電流變?yōu)榻^對(duì)決定開關(guān)速度。4

圖 1：電路圖

不同變量切換的影響

負(fù)載電流

負(fù)載電流的變化對(duì)兩個(gè)模塊的開關(guān)性能有不同的影響。在導(dǎo)通過程中，開關(guān)速度對(duì)電流的依賴性可以忽略不計(jì)，特別是對(duì)于 MOSFET，因?yàn)樗趯?dǎo)通過程中只有 16% 的下降，在關(guān)斷過程中增加到 468%。在高負(fù)載電流下，MOSFET 和 IGBT 表現(xiàn)出幾乎相同的開關(guān)行為，而在低負(fù)載電流下，T off表現(xiàn)出巨大的變化，MOSFET 的變化幅度為 468%，IGBT 的變化幅度為 109%。4現(xiàn)已知道，T off比 T on更依賴負(fù)載電流。本文的其余部分僅關(guān)注各種輸出排列場(chǎng)景下的T off變化

2.電纜長(zhǎng)度

由于充電和放電持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，長(zhǎng)電纜增加了切換時(shí)間。當(dāng)電纜長(zhǎng)度在低電流下增加時(shí)，MOSFET T off增加。當(dāng)我們降低電流時(shí)，電纜的減速效果會(huì)更高。相比之下，IGBT 在嘗試的電流范圍內(nèi)顯示出相同的模式；然而，在高電流下，與 MOSFET 相比，T off更依賴于電纜長(zhǎng)度的變化。延長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度會(huì)增加釋放路徑中的阻抗，并增加 T off在低電流下對(duì)電纜長(zhǎng)度的依賴。比較現(xiàn)象應(yīng)該在T上以及。另一種看法是，與 IGBT 相比，無論是短線還是長(zhǎng)線應(yīng)用，MOSFET 的高開關(guān)速度優(yōu)勢(shì)在高電流下都非常明顯。

圖 2：開關(guān)電路設(shè)置

3.死區(qū)時(shí)間優(yōu)化

在現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用中，在設(shè)計(jì)基于 SiC MOSFET 的逆變器時(shí)，短路檢測(cè)和保護(hù)是另一個(gè)重要的主題，尤其是在從現(xiàn)有的基于 Si IGBT 的計(jì)劃轉(zhuǎn)變時(shí)。與具有 8 至 10 μs 短路耐受時(shí)間的 IGBT 相比，SiC MOSFET 的耐受時(shí)間通常低于 2 μs。6在擊穿之前，碳化硅 MOSFET 通?？梢猿惺芨叩碾娏?，但其長(zhǎng)期可靠性會(huì)變差。

死區(qū)時(shí)間 T d是遠(yuǎn)離橋接直通的有效策略。對(duì)于 IGBT，死區(qū)時(shí)間通常在 1 至 5 μs 范圍內(nèi)，開關(guān)頻率為 1 kHz 至 10 kHz。在較低電流下，較慢的關(guān)斷 (0.4 μs) 時(shí)間不會(huì)導(dǎo)致短路風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于 SiC MOSFET，開關(guān)頻率在 10 到 50 kHz 范圍內(nèi)，死區(qū)時(shí)間低于 1 μs，以實(shí)現(xiàn)卓越的控制性能。低電流下較慢的關(guān)斷會(huì)導(dǎo)致短路危險(xiǎn)。

死區(qū)時(shí)間應(yīng)根據(jù)負(fù)載曲線和輸出設(shè)置進(jìn)行精確平衡?；谀Ｐ偷乃绤^(qū)時(shí)間優(yōu)化5需要更多的硬件推測(cè)。此外，由于快速開關(guān)帶來的噪聲耦合，精確估計(jì)來自柵極驅(qū)動(dòng)電路的低電壓信號(hào)很麻煩。

至于輸出電纜的影響，具體情況取決于組件，如電纜長(zhǎng)度、沿這些線路的輸出濾波器電容，將它們連接在一起并不容易。根據(jù)檢查結(jié)果，現(xiàn)在甚至可以得出一些一般準(zhǔn)則。電纜長(zhǎng)度在影響使用輸出濾波器時(shí)假定無關(guān)緊要。在高電流活動(dòng)中，長(zhǎng)電纜不會(huì)影響開關(guān)頻率，但會(huì)影響低電流操作。電纜規(guī)格尺寸或長(zhǎng)度可用作用于死區(qū)時(shí)間優(yōu)化目的的控制輸入。4

結(jié)論

使用硬件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試是為了仔細(xì)檢查負(fù)載電流和電纜長(zhǎng)度對(duì) SiC MOSFET 的影響，而 Si IGBT 會(huì)關(guān)閉該過程，因?yàn)樵趭蕵纺Ｐ椭邪敵雠帕械膹?fù)雜性。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間對(duì)隨機(jī)流和輸出設(shè)計(jì)的影響更大。在高電流下，電纜長(zhǎng)度和濾波器等不同因素的安裝會(huì)產(chǎn)生微不足道的關(guān)斷變量。長(zhǎng)電纜會(huì)降低低電流下的開關(guān)速度。為了補(bǔ)償關(guān)斷時(shí)間的變化，避免短路以獲得良好的控制性能，采用指數(shù)函數(shù)模型根據(jù)負(fù)載電流驅(qū)動(dòng)T off，可用于優(yōu)化T d，不需要額外的硬件安裝。

審核編輯：郭婷