這篇博客文章首次由聯合硅碳化物(United Silicon Carbide)發表。加入科爾沃家族United SiC是硅碳化物(SiC)動力半導體的主要制造廠商,它擴大了科沃的電動車輛、工業電力、電路保護、可再生能源和數據中心電力迅速增長的市場。

對高效率、高功率密度和系統簡單化的需求增加,使得硅碳化物(SiC)FETs因其快速切換速度、低RDS(on)和高電壓評級而成為動力工程師的有吸引力的選擇。

然而,SIC裝置的快速開關速度導致越長的鈴聲持續時間越長,越快的VDS猛增,導致電離層電位越高。 對于在高功率應用(如EV和可再生能源)領域工作的工程師來說,在試圖提高效率并釋放這一先進技術的全部潛力而不會不必要地使設計復雜化時,這將是一個令人關切的問題。

What is VDS spike and ringing?

VDS沖刺和鈴聲的根源在于寄生蟲的誘惑力。 如果我們看一下SIC MOSFET(圖1)的典型轉折波, 門源電壓(VGS)從18V到0V, 排水流(ID)在50A時關閉, 公共汽車電壓(VDS)為800V。 由于SIC MOSFETs的快速切換速度, VDS會高漲和長鈴聲。 高VDS的峰值將降低處理閃電和突然負載變化等條件下的電壓遇險的裝置空間。 長時間的電流將引入更多的 EMI 。 這一現象在目前的高水平上更加明顯。

圖1 周轉空轉的VDS激增,并用快速SIC裝置按鈴

Conventional Way

抑制EMI的標準解決辦法是使用高門阻力(RG)降低目前的變化率(dI/dt),但這種方法會迫使效率與EMI之間的權衡。 事實上,使用高RG會大大增加轉換損失。

另一種解決辦法是減少電環偏差引力。 但是,它要求重新設計多氯聯苯的布局和使用較小的、不具有感應性的包件。 此外,我們可以將多氯聯苯的電環區最小化的程度有一定的限制,還有安全條例規定了最小的間隔和清除距離。 此外,通過使用較小的包件,我們犧牲熱性能。

我們還制定了過濾設計,以幫助我們滿足 EMI 要求,并放寬系統中的權衡。 除此之外,我們可以使用控制方法來減少 EMI;例如,頻率抖動技術通過分散電力供應的噪音頻譜來降低 EMI 。

New Way

一種更加有效和高效的方法是采用簡單的RC 鍵,以緩解設計挑戰并釋放SIC裝置的全部功率,這一簡單的解決辦法可以證明能夠有效控制VDS的激增和響鈴時間,在廣泛的載荷范圍以更高的效率控制,并可以忽略不計的關閉延遲。

由于 dv/dt 更快的 dv/dt 和額外的 Cs, 混凝土的流位值也較高,這意味著在交替過渡時,ID和VDS重疊較少。

我們可以看到使用雙脈沖測試(DPT)研究脈沖效果的證據,這是一種半橋配置,帶有感應負荷,高端和低端都使用同一裝置:VGS、VDS和ID從低端裝置中測量(圖2)。

目前的變壓器(CT) 測量設備與靜脈流。 因此, 測量的切換損失包括設備切換損失和靜脈損失。

如果使用一個脈沖,它就是一個200pF電容器,與SIC MOSFET的排水管和源頭上一個10°C的抵抗器連在一起。

圖2:半橋配置(與頂部設備相同)

圖 3: RC 括號比較有效控制轉折 EMI

首先,讓我們比較轉折(圖3 ) 。 對于圖1中的同一裝置,左波形使用的是 RC 鼻涕和低 RG( 關閉 ) , 右波形使用的是高 RG( 關閉 ) , 而不是高 RG( 關閉 ) 。 這兩種方法都限制了 VDS 峰值峰值峰值電壓的轉折; 但是, 脈沖使用33 來浸泡鈴聲, 而高 RG( 關閉 ) 仍然有超過100 年的響聲時間。 另外, 左波形的延遲時間比使用高 RG( 關閉 ) 的時間要短。 因此, 左波形對控制 VDS 關節峰值和關閉時鐘聲持續時間更有效。

圖 4: 駐地協調員在開放期間的批評效果

在開關一面(圖4),如果我們將波形與RC的和RG(on)的和RG(on)的和無的作比較,我們可以看到,用略微的把峰值反向恢復從94A升至97A。 除此之外,它對開關的波形影響微乎其微。

這表明,在控制 VDS 峰值和鈴聲持續時間方面,這比高RG(RG)更有效。 但是,這是否更有效? (圖5)

圖5:變換損失(Eoff、Eon)與Snubber和RG(關閉)高的RG(關閉)的比較

At48A,我們發現,高RG(關閉)的轉盤轉機損失是低RG(關閉)的兩倍多,而不是使用低RG(關閉)的模糊點的兩倍多。 因此,在轉盤中,這個斜點更有效率,因為它允許更快的轉機,同時能更好地控制VDS的峰值和環

如果我們看看開關切換損失, 脈沖略微增加Eon平均70微J。 因此, 為了充分估計整體效率, 我們需要將Eoff和Eon加在一起, 并比較Etal( 圖 6) 。 當設備以全速切換時, 顯然在 18A 以上, 脈沖更有效率。 對于40A/ 40/kHz 的 40m 設備切換, 使用高 RG( 關閉) 和 低 RG( 關閉) 和 低 RG( 關閉) 與 低 RG( 關閉) 之間, 使用高RG( 關閉) 和 低 RG( 關閉) 之間的每只切換11W 。

圖6:變換損失(合計)與高RG(關閉)的變換損失(合計)比較

因此,我們可以得出這樣的結論:與使用高RG(關閉)相比,這個省略比使用高RG(關閉)更有效和更有效率。

隨著我們進入第四代SIC設備,這個簡單的設計解決方案將繼續提供更低的總轉換損失,同時優化系統電能效率。

我們最近的網絡研討會 — — 最小化 EMI 和 快速 SIC FET 轉換損失 — — 能夠以最高效的方式在聯合SiC SiC 設備中釋放出更多簡單的省略器。

審核編輯 黃宇