文章来源:电力电子技术
作者:孙 丽 敬 1、 张 雷2, 宋 振 浩1 、 郑 遵 宇2(1 . 中 国 电 力 科 学 研 宄 院 有 限 公 司 ;2 . 中 国 矿业大 学 , 电 气 与 动 力 工 程 学 院 )
摘 要 : 在 桥 式 结 构 的 电 压 源 型 变 换 器 中 ,IGBT 器 件 需 要 反 并 联 二 极 管 以 保 证 续 流 。 而 碳 化 硅 ( SiC ) 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管 ( MOSFET ) 由 于 具 有 双 向 导 通 的 能 力 ,且 内 部 寄 生 体 二 极 管 ,所 以 无 需 外 部 增 加 反 并 联 二 极 管 。 但 是 体 二 极 管 的 反 向 恢 复 问 题 、 导通 压 降 过 大 问 题 将 降 低 变 换 器 效 率 。 所 以 目 前 很 多 应 用 中 仍 然 在 SiC MOSFET外 部 反 并 联 SiC 肖 特基 势 垒 二极 管 ( SBD ) 进行 续 流。 虽 然 SiS SBD 无 反 向 恢 复 电 流 , 但 是 SBD 的 结 电 容 会 导 致 较 大 的 主 开 关 管 开 通 电 流 尖 峰 。 为 了 得 到 最 优 的 续 流 方 式 ,此 处 分 析 了 SiC SBD 续流 、 SiC MOSFET 体 二 极 管 续 流 以 及 两 者 并 联 续 流 3 种 模 式 下 开 通 电 流 尖 峰 的 组 成 成 分 及 各 成 分 的 产 生 原 因 。 实 验 结 果 表 明 利 用 体 二 极 管 和 SBD 并 联的 方 式 效 果 最 差 。 为 了 研 宄 电 流 尖 峰 的 变 化 规 律 , 实 验 中 改 变 直 流 侧 电 压 和 开 关 速 度 等 外 部 条 件 ,观 察 电 流 尖 峰 的 变化 。 实 验 结 果 表 明 开 关 速 度 对 电 流 尖 峰 的 影 响 最 大 。 最 终 , 提 出 了 3 种 抑 制 开 通 电 流 尖 峰 的 方 法 。
关 键 词 : 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管 ; 开 通 电 流 尖 峰 ; 反 向 恢 复 电 流

l. 引 言
与 传 统 硅 ( Si )器 件 相 比 , SiC 器 件 具 有 耐 高 压 、 耐 高 温 、 高 开 关速 度 等 优 势 , 己 成 为 国 内 外 学 者 的 研 究 热 点 。 其 中 SiC MOSFET 开 关 速 度 快 ,且 无 拖 尾 电 流 , 所 以 开 关 损 耗 相 较 Si IGBT 大 幅 减 小 , 具 备 取 代 Si IGBT 的 潜 力 。 而 且 MOSFET具 有 双 向 导 通 能 力 , 可 工 作在 同 步 整 流 模 式 , 减 小 器 件 通 态 损 耗 , 从而 提 高 功 率 变 换 器 的 工 作 效 率。
SiC MOSFET 应 用 于 桥 式 结 构 的 电 压 源 型 变 换 器 时 , 在 开 通 过 程 中 会 产 生 较 大 的 尖 峰 电 流 , 导 致 器 件 损 耗 增 大 , 甚 至 会 造 成 器 件 失 效。 但 是 在SiS MOSFET 两 端 并 联 SBD 是 否 必 要 值 得 商 榷 。文 献对 其进 行 了 论 述。
在 设 计 SiC MOSFET 驱 动 或 主 电 路 时 , 寄 生参 数 是 必 须 考 虑 的 因 素 , 但 是 大 部 分 只 关 心 寄 生 电 感 。 较 少 文 献 讨 论 实 验 平 台 寄 生 电 容 对 开 关 管 的 影 响 。此 处 针 对 实 验 中 的 相 关 现 象 得 到 了 印 制 电 路 板 ( PCB ) 寄 生 电 容 的 存 在 和 影 响 。
2. 电 流 尖 峰 产 生 机理
功 率 变 换 器 大 多 采 用 桥 式 结 构 , 以 图 1所 示 的 半 桥 为 例 , 图 中 V1为 主 开 关 管 , V2 为 互 补 管 ,Coss1 和 Coss2 为 MOSFET 输 出 电 容 , VD1, 和 VD2 为 MOSFET 体 二 极 管 。 负 载 为 空 心 电 感 , CL 为 电 感 的 寄 生 电 容 ,R 为 寄 生 电 阻 。Ldc 为 母 线 寄 生 电 感 。C12 , C13 , C32 为 PCB 寄 生 电 容 ( 由 PCB 敷 铜 箔 引 起 ) ,其 中 , C12 为 正 负 直 流 母 线 间 的 寄 生 电 容 , C13 为正 直 流 母 线 与 变 换 器 输 出 端 的 寄 生 电 容 , C32 为 负 直 流 母 线 与 输 出 端 的 寄 生 电 容 。 SiC MOSFET 开 通 时 产 生 的 电 流 尖 峰 主 要 成 分 有 : VD2 的 反 向 恢 复 电 流 、 SiC MOSFET 输 出 电 容 上 的 充 放 电 电 流 、 CL 的充 电 电 流和 C12 , C13 的 充放 电 电 流。

2.1 二 极 管 反 向 恢 复 电 流
PIN 二 极 管 具 有 反 向 恢 复 特 性 , 反 向 恢 复 过 程 发 生 于 二 极 管 由 导 通 至 阻 断 的 切 换 过 程 中 。SiC MOSFET 寄 生 的 体 二 极 管 属 于PIN 二 极 管 , 故 存 在 反 向 恢 复 电 流 。 图 2 为 PIN 二 极 管 反 向 恢 复 具 体 过程 ,iD 和 UDS 别 为 二 极 管 的 电 流 和 电 压。

2.2 SiC MOSFET 输 出 电 容 和 负 载 寄 生 电 容
图 1 中 , V1 开 通 前 , V2 处 于 关 断 状 态 , 此 时 负 载 电 流 通 过 V2 中 的 体 二 极 管 续 流 。 文 献 详 细 阐 述 了 负 载 寄 生 电 容 对SiC MOSFET 性 能 带 来 的 负 面 影 响 , 并 通 过 实 验 进 行 验 证 。 同 样 , 与 下 管 并 联 的 其 他 电 容 也 会 对 器 件 性 能 带 来 负 面 影 响 。
2.3 PCB 寄 生 电 容
为 了 减 小 SiC MOSFET 变 换 器 PCB 的 寄 生 电 感 ,此 处 采 用 铺 铜 的 方 式 。 3 块 铜 箔 之 间 不 可 避 免 的 存 在 寄 生 电 容 , 即 C12 , C13 , C32 , 如 图 1所 示 。
V1开 通 时 , C13 两端 电 压 下 降 ,产 生 放 电 电 流 ,同 时 在 C32 上 产 生 充 电 电 流 , 增 加 了 V1 开 通 电 流 ,增 大 了 开 通 损 耗 。 而 C12 相 当 于 吸 收 电 容 , 对 V1 开 通 电 流 尖 峰 几 乎 没 有 影 响 , 此 处 不 予 考 虑 。
在 IGBT 应 用 中 , 因 为 寄 生 电 容 往 往 很 小 且 IGBT 的 开关 速 度 低 , 所 以 极 少 考 虑 寄 生 电 容 的 影 响 。 此外 , Si 材料 PIN 二 极 管 反 向 恢 复 电 荷 很 大 ,寄 生 电 容 充 放 电 的 电 荷 可 忽 略 不 计 。 但 是 , SiC MOSFET 开关 速 度 快 , 体 二 极 管 反 向 恢 复 电 荷 小 ,PCB 寄 生 电 容 的 充 放 电 电 荷 所 占 比 例 较 大 , 所 以在 应 用 中 , 需 要 重 视 寄 生 电 容 的 存 在 。
3. 实 验 平 台 介 绍
为 了 研 究 SiC MOSFET 在 桥 式 电 路 中 的 开 通 电 流 尖 峰 机 理 , 设 计 了 实 验 测 试 平 台 , 原 理 图 如 图 1 所示 。 用 双 脉 冲 控 制 V1 的 开 通 和关 断 , V2 栅 极 施 加 反 压 保 持 关 断 。 在 图 1 中 测 试 点 test1, test2和 test3 分 别 测 试 V1 漏 极 电 流 、 V2 漏 极 电 流 和 负 载 电 流 ,但 PCB 寄 生 电 容 的 充 放 电 电 流 无 法 测 量 。 双 脉冲 信 号 如 图 3 所 示。

驱 动 信 号 由 信 号 发 生 器 提 供 ,经 过 同 轴 电 缆 接 入 PCB 。 负 载 使 用 空 心 电 感 , 从 而 尽 量 减 小 其 寄 生 电 容 。 利 用 RLC 分 析 仪 得 到 图 1 中 所 示 的 负 载 电 感 等 效 模 型 中 的 电 感 值为 856uH, 寄 生 电 容 为 7.6pF , 电 阻 为 1.13 欧。 电 压 测 量 使 用 100MHz 带 宽 的 差 分 电 压 探 头 , 电 流 测 量 使 用 120MHz 带 宽的 电 流 探头 , 示波 器 带 宽 为 100MHz , 实 验 设 备 为 : AFG 2021-SC 型 信 号 发 生 器 ,3302 型 RLC 分 析 仪 , TA042 型 电 压 探 头 , TCP0030A 型 电 流 探头 ,DP03014 型 示 波 器 。
4. 实 验 分 析
在 体 二 极 管 续 流 、 SiC SBD 续 流 以 及 SiC SBD 与 体 二 极 管 并 联 续 流 这 3 种 续 流 方 式 下 进 行 双 脉 冲 测 试 。 并 针 对 每 种 续 流 方 式 , 测 量 不 同 直 流 母 线 电 压 、 负 载 电 流 及 开 关 速 度 下 的 开 通 电 流 尖 峰 。
4.1 续 流 方 式 对 电 流 尖 峰 的 影 响
此 处 采 用 3 种 续 流 方 式 进 行 实 验 , 如 图 4a 所 示 , 更 改 续 流 方式 , 即 在 下 管 处 放 置不 同 的 器 件。图 4b-d 分 别 对 应 SiC MOSFET 体 二 极 管 续 流 、SiC SBD 续 流 和 两 者 并 联 续 流 。 实 验 中 使 用 的 功 率 器 件 其 参数 见 表 1, 其 中 SiC MOSFET 选取 2 种 不 同 的 型 号 , 而 SiC SBD 选取 3 种 型 号 。 不 同 型 号 的 SiC MOSFET 与 SiC SBD 组 合 进 行 实 验。


当 V1 使 用 C2M0160120D 型 的 SiC MOSFET ,保 持 漏 源 电 压 为 600V , 负 载 电 流 为 10A ,驱 动 电 阻 为 1 欧 , 在 不 同 续 流 方 式 下 测 得 的 电 流 波 形 如图 5 所 示 。 其 中,i1,i2 和 i3 分 别 为 在 3 个 测 试 点test1 ,test2 和 test3 测 得 的 电 流 。 i1 规 定 正 方 向 为 由 直 流 源 流 入 半 桥 , 规 定 正 方 向 为 由 半桥 中 点 流出 ,i2 规 定 正 方 向 也 为 由 半 桥 中 点 流 出 。 为 了 便 于 分 析 开 通 电 流 尖 峰 , 图 中 i1,i3 为 其 实 际 值 减 去 负 载 电 流 稳态 值 ,且 起 始 时 间 定 在 i1 达 到 稳 态 值 时 刻 。 此 处 涉 及 到 test1 和 test3 处 测 试 电 流 时 亦 如 此 表 示 。 图 5a 为 体 二 极 管 续 流 时 的 电 流 波 形 , 测 量的 电 流分 别 用 i1a ,i2a和 i3a 表 示 。 图 5b 为 SiC SBD 续 流 时 的 电 流 波 形 , 测 量 的 电 流 分 别 用i1b,i2b 心 和 i3b 表 示 。 图 5c 为 SiC SBD 与 体 二 极 管 并 联 续 流 时 的 电 流 波 形 , 测 量 的 电 流 分 别 用 i1c ,i2c 和 i3c表 不 。

由 图 l 可 知 , 测 量 的 电 流 大 小 关系 为 :
i1=i2 + i3 +icap ( 1 )
式 中 :icap 为对 PCB 寄 生 电 容 的 充 放 电 电 流 , 规 定 正 方 向 为 从 半 桥 中 点 流 入 , 如 图 1 所 示。
通 过 体 二 极 管 续 流 时 , 由 于 PIN 二 极 管 的 反 向 恢 复 特 性 , V1 开 通 电 流尖 峰 I1a 主 要 由 体 二 极 管 的 反 向 恢 复 电 流 Irecovery 、 互 补 管 输 出 电 容 充 电 电流 icoss 、 负 载 等 效 电 容 的 充 电 电 流 iL和 PCB 寄 生 电 容 充 放 电 电 流 icap 构 成 , 即:

SiC SBD 和 体 二 极 管 并 联 续 流 时 , SiC SBD 门 槛 电 压 较 小 , 而 体 二 极 管 门 槛 电 压 约 为 SiC SBD 的 3 倍 。 所 以 续 流 过 程 中 , 电 流 只 经 过 SiC SBD ,不 经 过 体 二 极 管 , 则 体 二 极 管 就 不产 生 反 向 恢 复电 流。 经 分 析 , V1 开 通 电 流 尖 峰 主要 由icoss,isbd,iL和icap 构 成 , 即

由 图 5 可 见 体 二 极 管 和 SiC SBD 并 联 续流 时电 流 尖 峰 最 大 , 且 持 续时 间 最 长 。 为 了 分 析 电 流 尖 峰 中 的 成 分 ,此 处 通 过 测 量 的 电 流 值 分 离 出 电 流 尖 峰 中 各 部 分 电 流。 为 了 衡 量 电 流 尖 峰 对 损 耗 的 影 响 , 对 图 5 中 电 流 和 分 离 出 的 各 部 分 电 流 进 行 积 分 , 积 分 后 的 电 荷 大 小 见 表 2 , 其 中 , Q1,Q2,Q3,Qrecovery,Qsbd ,Qcoss,QL 分 别为 电 流 i1,i2,i3,irecovery,isbd,icoss,iL 对 应 的 电 荷 。Qother 为 Q1 超 出 Q2 和 Q3 的 差 值 , 即 为 PCB 上 寄 生 电 容 充 放 电 电 流 icap 的 积 分 值。

根 据 实 验 波 形 及 电 荷 分 离 结 果 ,SiC SBD 带 来 的 电 流 尖 峰 所 占 比 例 较 高 。 相 对 于 在 减 少 反 向 恢 复 电 流 方 面 带 来 的 优 势 , 结 电 容 导 致 的 电 流 尖 峰 问 题 更 加 严重 。
PCB 寄 生 电 容 带 来 的 电 流 尖 峰 也 占 很 大 比 例 , 对 MOSFET 开 通 损 耗 有 很 大 影 响 , 所 以 在 设 计 应 用 于SiC MOSFET 的 PCB 时 , 应 尽 量 减 小 寄 生 电 容 , 防 止 开 通 损 耗 过 大 。
4.2 工 作 条 件 对 电 流 尖 峰 的 影 响
4.2.1 开 关 速 度 的 影 响
改 变 SiC MOSFET 外 部 驱 动 电 阻 便 可 以 改 变 开 关 速 度 。 驱 动 电 阻 越 大 , 开 关 速 度 越 慢 。 图 6 显 示 了 开 关 速 度对 电 流 尖 峰 的 影响 。

其 中 , 开 关 管 为 C2M0160120D , 续 流 管 分 别 为 采 用 SiC SBD、 体 二 极 管 以 及 体 二 极 管 与 SiC SBD 并 联 。 开 关 速 度 对 电 流 尖 峰 影 响 较 大 : 开 关速 度 越大 , 电 流 尖 峰 越 大 。 在 3 种 续 流 方 式 下 均 具有 相 同 的 规 律 。
图 7 给 出 了 开 通 瞬 态 的 波 形。

其 中 , Uds,iD 分 别 为 主 开 关 管 开 通 瞬 间 的 漏 源 极 电 压 和 漏 极 电 流 , 续流 方式 为 C2M0160120D 体二极 管 续 流。
当 主 开 关 管 开 始 导 通 时 , 电 流 突 然 上 升 导 致 换 流 回 路 杂 散 电 感 感 应 出 反 电 动 势 , 使 得 漏 源 极 电 压 产 生 一 定 的 压 降 , 即 Udrop1 。 电 流 变 化 率 越 大 ,压 降 越 大 。 第 一 个 电 流 尖 峰 irr1 结 束 后 , 体 二 极 管具 有 了 反 向 阻 断 能 力 。 这 时 主 开 关 管 两 端 的 电 压 发 生 变 化 , 即 Udrop2 , 导 致 互补 管 输 出 电 容 充 电 , 从 而 带 来 较 大 电 流 , 产 生 第 二 个 电 流 尖 峰 irr2 。Udrop2 越 大 , 对 互 补 管 电 容 的 充 电 电 荷 越 多 , 第 二 个 尖 峰 带 来 的 电 荷 也 越 多 , 开 通 损 耗 也 越 大 。 相 同 开 关 速 度下 ,互 补 管 的 输 出 电 容 越 大 , 电 流 尖 峰 也 越 大 。 所 以 相 同 驱 动 电 阻 情 况 下 , 体 二 极 管 和 SiC SBD 并 联 的 情 况 下 电 流 尖 峰 irr2最 大 。
值 得 注 意 的 是 , 不 同 的 SBD 续 流 对 irr2 的 影 响 也 不 同 。 可 见 ,C2D05120A 续 流 方 式 下 irr2 最 小 , 因为 3 种 SBD 中 , C2D05120A 结 电 容 最 小 。 另 外 2 种 虽 然 额 定 电 流 或 额 定 电 压 更 大 , 但 引 入 的 结 电 容 也 更 大 。 所 以 在 使 用 SBD 续 流 的 情 况 下 , 在 满 足 电 流 要 求 的 同 时 , 应 尽 量 选 取 结 电 容 较 小 的 SBD 。
开 关 速 度 对 电 流 尖 峰 影 响 较 大 , 但 对 电 流 尖 峰 带 来 的 电 荷 ( 尖 峰 电 流 的 积 分 )影 响 却 很 小 。 这 是 由 于 开 通 电 流 尖 峰 变 大 的 同 时 , 持 续 时 间 却 在 减 小 , 这 可 以 从 图 6 看 出 。
图 8 给 出 了 不 同 开 关 速 度 下 的 电 流 尖 峰 电 荷 。 Rc 为 外 部 驱 动 电 阻值 , Qrr 为 电 流 尖 峰 部 分 的 电 荷 值 。 驱 动 电 阻 越 大 , 开关 速 度 越 慢 , 电 荷 略 微 有 减 小 的 趋 势 ,但 总 体 变 化 不 大 。 在 体 二 极 管 续 流 及并 联 续 流 两 种 方 式 下 , 趋 势 略 微 明 显 。

4.2.2 直 流 电 压 的 影 响
直 流 电 压 对 开 通 电 流 两 个尖 峰 的 影 响 有 所 区别 : 对 第 一 个 电 流 尖 峰 irr1 影 响 较 小 ; 对 第 二个 尖 峰 irr2 影 响 较 大。如 图 9 所 示 , i1 为主 开 关 管 的 漏 极 电 流 。 直 流 电 压 越 大 ,irr1 呈 增 大 趋 势 , 但 不 明 显 , 而 irr2 增 大 幅 度 十 分 明 显 。 第 二 个 尖 峰 增 大 的 原 理 与 第 4.2.1 节 中 相 同 , 当 直 流 电 压 增 大 时 , 开 关 管 两 端 压 降 Udrop2 也 增 大 , 所 以 对 互 补 管 的 电 容 充 电 电 流 增 大 , 第 二 个 电 流 尖 峰 及 其 持 续 时 间 也 因 此 增 大 。 当 主 开 关 管 为 C2M1000170D 时 , 实 验 结 果 同 样 符 合上 述 规 律 。 任 何 续 流 方 式 下 ,开 通 电 流 尖 峰 的 电 荷 随 直 流 电 压 的 升 高 而 升 高 。

如 图 10 所示 , 给 出 了 不 同 直 流 电 压 下 开 通 电 流 尖 峰 电 荷 ,按 主 开 关 管 不 同 , 实 验 分 为 两 组 : 主 开 关 为 C2M0160120D , 主 开 关 为C2M1000170D 。 两 组 实 验 中 , 并 联 续 流 均 为 效 果 最 差 的 方 式 , 因 为 并 联 给 互 补 管 带 来 更 大 的 电 容 , 从 而 导 致 更 多 的 充 电 电 荷 。所 以 在 实 际 应 用 中 , 开 关 管 输 出 电 容 和 SBD 的 结 电 容 应 尽 量 小。

5. 结 论
此 处 针 对 桥 式 电 路 中 SiC MOSFET 并 联 SiC SBD 的 有 效 性 , 在 不 同 续 流 方 式 下 进 行 实 验 , 并 在 实 验 基 础 上 分 析 PCB 寄 生 电 容 对 开 通 电 流 的 影响 。 实 验 结 果 表 明 ,开 关 管 输 出 电 容 和 SBD 结 电 容 会 带 来 较 大 电 流 尖 峰 , 在不 同 直 流 电 压 下 对 第二 个 尖 峰 影 响 尤 其 严 重 。 所 以 在 桥 式 电 路 中 ,MOSFET 并 联 SBD 的 方 式 并 不 具 有 优 势 ,反 而 会 带 来 更 大 开 通 损 耗 和 更 高 硬 件 成 本 。 仅 使 用 SBD 续 流 虽 然 在 减 小 SiC MOSFET开 通 电 流 尖 峰 方 面 有 优 势 , 但 是 连 续 工 作 过 程 中 , SBD 续 流 产生 的 导 通 损 耗 较 大 。 而 SiC MOSFET 可 工 作 在 同 步 工 作 模 式 下 , 利 用 沟 道 续 流 , 产 生 的 通 态 损 耗 较 小 。 相 较 而 言 , 仅 用 SBD 续 流 不 利 于 变 换 器 整 体 效 率 的提 高 ,且 很 多 应 用 场 合 需 要 上 下 管 全 控 , 即 需 采 用 MOSFET , 不 能 仅 采 用 SBD 。 利 用 体 二 极 管 续 流 , 虽 然 反 向 恢 复 电 流 会 带 来 少 量 的 互 补 管 的 附 加 损 耗 , 但 SiC MOSFET 在 同 步 工 作 模 式 下 产 生 的 通 态 损 耗 较 小 。 且 体 二 极 管 仅 在死 区 时 间 内 续 流 , 续 流 损 耗 可 忽 略 不 计 。 所 以 利 用 MOSFET 体 二 极 管 续 流 有 利 于 提 高 变 换 器 工 作 效 率 。
实 验 表 明 开 关 速 度 对 开 通 电 流 尖 峰 影 响 最 大 。 为 了 保 证 电 流 尖 峰 在 器 件 承 受 范 围 以 内 , 防 止过 电 流 带 来 的 器 件 失 效 , 在 开 关 速 度 的 选 择 , 即 对 栅 极 驱 动 电 阻 的 选 择 上 应 进 行 考 量 。
直 流 电 压 主 要 影 响 开 通 电 流的 电 荷 : 电 压 越 高 , 电 荷 越 大 。 所 以 工 作 在 高 压 的 器 件 会 由 此 带 来 更 大 损 耗 。
根 据 实 验 结 果 ,此 处 提 出 抑 制 桥 式 电 路 中 电 流 尖 峰 的 相 应 措 施 : ① 避 免 并 联 SBD 或 尽 量 选 取 结 电 容 较 小 的 SBD ,减 小 开 通 时 主 电 路振 荡 引 起 的 电 流 尖 峰 以 及 电 容 充 电 带 来 的 损 耗 ;② 在 PCB 设 计 布 局过 程 中 , 尽 量 减 小 寄 生 电 容 的 容 值 , 以 此 减 小 寄 生 电 容 通 过 SiC MOSFET 的 充 放 电 电 荷 ; ③选 择 合 适 的 栅 极 驱 动 电 阻 阻 值 , 防 止开 关 速 度 过 快 导 致 电 流 尖 峰 过 大 。

