车规模块系列(十):模块内部集成RC-snubber

原创 功率半导体那些事儿 2024-09-04 07:18

好久不见!断更了快五个月了,每每想写点什么,都只是反复提笔,毫无进展。反复之间就好似这时光,流逝的背后似乎并没有留给我们太多的东西。

上周的PCIM展,见到了之前很多朋友,寒暄之间都流露出了半导体竞争的激烈和不易。再看看各家的展台,进口的依旧有着那份隐藏的傲气,而国产依旧有着虚心求学的谦逊。在我看来,当下并不是优胜劣汰,更多的是适者生存!

当下


从风光储到新能源汽车,给到我更多的感觉是,前者相对而言看到的更多在拓扑的配置和优化(不同三电平拓扑),后者更多的是封装的优化(两电平而言,封装的“细枝末节”会更多)。所以汽车中见到的属封装变动最多,之前我们也聊过好几款封装类型,而风光储更多的还在基于62mm,ED3,Easy系列等封装基础上优化芯片配置。

众所周知,400V到800V平台的演变在新能源汽车而言已经不算什么新鲜事,但是800V只是一个广义上的电压,具体的电池电压或者说母线电压可能会比它高很多,这样就意味着越来越压榨半导体器件的耐压上限(虽然实际上的耐压值会比Datasheet上的高一些),但为了可靠性而言都会要求在额定电压之内。从电压的维度而言,这就是为什么要求减小尽可能降低系统杂散电感。再加上碳化硅的“快”,电压尖峰一直备受关注,不管是关断尖峰还是二极管反向恢复尖峰。

除了想方设法地降低杂散电感(越来越难,或者相对性价比较低),或者是从芯片角度优化其特性(都会伴随着取舍),那么还有一种在风光储很常见的抑制措施--RC Snubber

那为什么这么常见还拿出来说事呢,那就说到今天写这篇文章的契机了,是因为周末晚上看到了一篇欧洲PCIM展的文章,把RC snubber集成到模块内部

RC Snubber


与良好稳定的Si-IGBT解决方案相比,碳化硅提供了更快的切换和更低的静态和动态损耗。然而,快速的碳化硅开关可能会出现振铃和明显的电压超调现象,这主要是由高电流瞬变和电路寄生参数引起的。所以改变寄生参数会给振荡带来一些改善,相对于常见的电阻和电容串联的RC电路而言,IFX基于硅基材料制成的RC芯片如下,

电容利用蚀刻在硅晶片表面的深沟槽阵列,随后填充电介质和高掺杂多晶硅形成。

面积为= 0.25 cm²的RC-snubber芯片电阻和电容值与尺寸相关的函数关系。

基于IFX750V SiC MOSFET的HPD模块,上下半桥分别布置RC-snubber芯片,基板Layout如下,

RC-snubber芯片的参数为ESR=3.8Ω,ESC=4.6nF。

基于双脉冲测试对比


基于双脉冲测试,母线电压VDC=400V下,得到了正向开通电流和二极管反向恢复的电压波形,如下

可以明显地看到,增加RC-snubber有效地抑制了阵地和电压尖峰。电流尖峰幅值的增加是由于snubber电容放电而产生。

相同的尖峰电压限制下,带有RC-snubber的开通电阻能够选得更小,开关速度可以做得更快,相应IGBT的开通损耗能够得到降低,但对应的二极管反向恢复损耗将会增大。

同样的,也监控了相同关断电阻下,关断尖峰并没有明显减小,可能是电容值取得较小。

相同电压尖峰限制下,有无RC的损耗对比,由于带RC的开通电阻可以取得更小,所以开关损耗能够得到降低,

相同的驱动参数下,带RC的由于电流尖峰幅值较高,能量相对有所增加,

所以,为了提高RC-snubber的效率,必须降低RC-snubber的峰值电流。

同时针对逆变器级别也进行了测试,由于增加了RC-snubber芯片,emi振幅降低了30 dB,对于二极管恢复可以观察到显著的vmax降低。因此,可以使用较低的RG,on,从而导致较低的总动态损失(26%)。这种节约效果是显著的,表现在8%的rms电流或12%的结温度。这些发现有助于增加rms输出电流或减少有源芯片面积,以节省成本。

小结


今天只是想借着英飞凌关于在模块内部增加RC-snubber的文章,表达对于能够有新想法新思路的敬意,同时希望能够给我们带来一些新的思路和想法。至少,在“内卷”的当下,我们好像弄丢了太对的“异想天开”。


今天的内容希望你们能够喜欢!


参考文献:

"HybridPACKTM Drive Power Module with SiC- MOSFETs and  Monolithic RC- Snubber Chips for Optimized Power Density"--Andre Uhlemann, Nikolaj Gorte, Andreas Groove, Thomas Hunger 

Infineon Technologies AG, Germany

END

Power semiconductors

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