杂散电感对SiC和IGBT功率模块开关特性的影响探究

安森美 2024-03-07 19:01

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IGBT和碳化硅(SiC)模块的开关特性受到许多外部参数的影响,例如电压、电流、温度、栅极配置和杂散元件。本系列文章将重点讨论直流链路环路电感(DC−Link loop inductance)栅极环路电感(Gate loop inductance)对VE‑Trac IGBT和EliteSiC Power功率模块开关特性的影响,本文为第一部分,将主要讨论直流链路环路电感影响分析。


测试设置

双脉冲测试 (Double Pulse Test ,DPT) 采用不同的设置来分析SiC和IGBT模块的开关特性。如表1所示,对于直流链路环路电感影响分析,可在直流链路电容和模块之间添加母线来进行。对于栅极环路电感影响分析,如表10所示,在栅极驱动板和模块之间添加外部插座或电线。为了研究模块的开关特性,本次测试使用 900V、1.7mQ EliteSiC Power功率模块 (NVXR17S90M2SPC)和 750V Field Stop 4 VE-Trac Direct模块 (NVH950S75L4SPB) 作为待测器件(DUT)。



图 1. 双脉冲测试设置


表1.直流链路环路电感测试设置


IGBT的开关特性与直流链路环路电感(LS)的关系


本节分析不同直流链路电感对IGBT开关特性的影响。针对NVH950S75L4SPB模块,按照如下条件进行双脉冲测试。

  • DUT: 低边FS4 750V 950A IGBT模块 (NVH950S75L4SPB)

  • VDC = 400 V

  • IC = 600 A

  • VGE = +15/−8 V

  • RG(on) = 4.0 Q

  • RG(off) = 12.0 Q

  • Tvj= 25℃


表 1 列出了三种不同直流链路环路电感的配置,分析直流链路环路电感的影响。


图 2显示了在IGBT导通期间,不同的直流链路环路电感设置下的波形比较。总结出特性如表2所示。环路电感设置越高,感应电压 VCE 压降越高,导通 di/dt 越慢。因此,较高的环路电感可降低导通损耗,因为损耗是 VCE 和 IC 随时间变化的积分。


就二极管而言,在反向恢复峰值电流(Irrm)之后,较高的环路电感会影响二极管峰值电压过冲。所以,采用较高的环路电感配置时,由于硬反向恢复特性导致的反向恢复损耗增大。因此,为了增强电磁兼容性(EMI),需要增加导通时的栅极电阻RG(on)

图 2. IGBT导通波形与直流链路环路电感(LS)的关系


表 2. IGBT导通特性对比直流链路环路电感总结


图 3显示了在IGBT关断期间,不同的直流链路环路电感下的波形比较。总结出的特性如表3所示。环路电感设置越高,在关断期间的 di/dt越慢,但由于杂散电感的影响,VCE 峰值电压会升高。因此,较高的环路电感会导致较高的关断损耗,因为损耗是 VCE 和 IC 随时间变化的积分。然而,在大电流驱动时,较高的VCE峰值电压可能会超过VCE电压击穿极限。因此,强烈建议增大关断栅极电阻RG(off)以抑制峰值电压及振荡现象。此外,严格遵循反向偏置安全工作区(RBSOA)是至关重要的系统设计因素,应当根据杂散电感和关断速度来综合考虑。


图 3. IGBT关断波形与直流链路环路电感(LS)的关系


表 3. 总结:IGBT关断特性对比直流链路环路电感


IGBT开关特性与带优化栅极电阻RG的直流链路环路电感(LG)的关系


较高的直流链路环路电感,会因为导通期间产生较高的VCE压降而导致 Eon降低。从系统层面考虑,当直流链路电感较低时,必须增加RG(on)以达到相似的电磁干扰水平。


在IGBT的关断过程中,直流链路环路电感对VCE过冲电压的影响尤为显著,因为外部RG(off)电阻对关断阶段的di/dt影响并不明显。较高的VCE电压会导致反向偏置安全工作区(RBSOA)性能变差,因此需要根据直流链路环路电感来调整RG(off)以优化性能。图4展示了在IGBT导通阶段,带优化导通电阻RG(on)的情况下,在不同直流链路环路电感设置下的对比波形。由于 VF 峰值和振荡在 MHz 范围内,是主要的 EMI 噪声源之一,因此对 RG(on)进行调整,使其达到与初始 23 nH 测试设置相似的 VF 电平。因此,带有优化 RG(on)的直流链路环路电感采用较高设置,会导致较高的导通损耗Eon和较慢的 di/dt。


图 4.IGBT导通波形与带优化电阻RG(on)的直流链路环路电感的关系


表 4. 总结:IGBT导通特性与带优化电阻RG(on)的直流链路环路电感


图 5 显示了IGBT关断情况下,带优化关断电阻RG(off)的不同直流链路环路电感的对比波形。为了使VCE过冲电平与初始的 23nH 设置类似,在较环路电感设置中使用了较高的RG(off)。结果显示,较高直流链路环路电感设置导致较高的Eoff和较慢的 dV/dt。


图 5. IGBT关断波形与带优化电阻RG(off)的直流链路环路电感的关系


表 5. 总结:IGBT关断特性与带优化电阻RG(off)的直流链路环路电感


SiC MOSFET开关特性与直流链路环路电感(LS)的关系


本节分析不同直流链路电感对SiC MOSFET 开关特性的影响。对NVXR17S90M2SPC模块进行双脉冲测试条件如下:

  • DUT: NVXR17S90M2SPC Low side

  • VDC = 400 V

  • ID = 600 A

  • VGS = +18/−5 V

  • RG(on) = 3.9 Q

  • RG(off) = 1.8 Q

  • Tvj= 25℃


图6描述了不同直流链路环路电感在SiC MOSFET导通期间的对比波形,总结特性描述如表6。较高的环路电感设置,引起较高的感应电压VDS压降和较慢的开启速度di/dt。结果显示,会导致较低的导通损耗,因为损耗是VDS和ID随时间的积分。


就二极管而言,反向恢复峰值电流之后,较高的环路电感会影响二极管峰值电压。结果显示,较高的环路电感配置会影响有快速恢复的更高的反向恢复损耗。由于迅速恢复,增加RG(on)可能需要与EMI兼容。此外,在SiC MOSFET的情况下,EMI兼容性比IGBT更关键,因为它具有更大的振荡幅度和频率,可作为噪声源工作。


图 6. SiC MOSFET导通波形与直流链路环路电感的关系


表 6. SiC MOSFET导通特性与直流链路环路电感的总结


图 7描述了不同直流链路环路电感情况下,在SiC MOSFET关断期间的对比波形,总结特性描述于下表7中。较高的环路电感设置显示关断期间di/dt 较慢,VDS峰值较高是由于电感产生的电压。结果显示,较高的环路电感会导致较高的关断损耗,因为损耗为 VDS和ID随时间的积分。然而,在大电流驱动情况下,较高的VDS峰值电压可能会超过VDS的电压限制。因此强烈建议增加RG(off)以抑制峰值电压和振荡。此外,应根据杂散电感和关断速度考虑的重要系统设计因素,是遵循反向偏置安全工作区(RBSOA)和与 EMI 法规的兼容性。


图 7.SiC MOSFET关断波形与直流链路环路电感的关系


表 7. 总结:SiC MOSFET关断特性与直流链路环路电感


SiC MOSFET开关特性与带优化电阻RG的直流链路环路电感(LG) 的关系


较高的直流链路环路电感设置,在导通时通过较高的VDS电压降具有较低的 Eon同时,从系统层面考虑,必须增加RG(on)以补偿VSD电压峰值/幅度和电磁干扰水平。此外,更高的VDS过压会导致RBSOA性能变差,因此需要根据 直流链路环路调整RG(off)电感设置。图8描述了带优化RG(on)的直流链路环路电感设置在SiC MOSFET导通期间的对比波形。调整RG(on),直到它具有与初始 23nH 测试设置相似的 VSD 电平,因为VSD峰值和振荡是MHz范围内重要的EMI噪声源。因此,较高的直流链路环路电感设置显示出较高的 Eon 和较慢的 di/dt。


图 8. SiC MOSFET导通波形与带优化电阻RG(on)的直流链路环路电感的关系


表 8. SiC MOSFET导通特性与带优化电阻RG(on)的直流链路环路电感的总结


图 9描述了带优化栅极电阻RG(off)的不同直流链路环路电感在SiC MOSFET关断特性之间的对比波形。保留VDS过冲电平类似于初始23nH设置,较高RG(off)用于较高的环路电感设置。结果显示,较高的直流链路环路电感设置显示出较高的Eoff和较慢的dV/dt。


图 9. SiC MOSFET关断波形与带优化栅极电阻RG(off)的直流链路环路电感的关系


表 9. SiC 关断特性与直流链路环路电感的总结



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