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杂散电感对SiC和IGBT功率模块开关特性的影响探究

时间：2024-04-18来源：安森美

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）和栅极环路电感（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)。

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图 1. 双脉冲测试设置

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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(L_S)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

● I_C = 600 A

● V_GE = +15/−8 V

● R_G(on) = 4.0 Q

● R_G(off) = 12.0 Q

● T_vj= 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)。

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图 2. IGBT导通波形与直流链路环路电感(L_S)的关系

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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，V_CE 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 V_CE 和 I_C 随时间变化的积分。然而，在大电流驱动时，较高的V_CE峰值电压可能会超过V_CE电压击穿极限。因此，强烈建议增大关断栅极电阻R_G(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。

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图 3. IGBT关断波形与直流链路环路电感(L_S)的关系

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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R_G的直流链路环路电感(L_G)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V_CE压降而导致 E_on降低。从系统层面考虑，当直流链路电感较低时，必须增加R_G(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V_CE过冲电压的影响尤为显著，因为外部R_G(off)电阻对关断阶段的di/dt影响并不明显。较高的V_CE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R_G(off)以优化性能。图4展示了在IGBT导通阶段，带优化导通电阻R_G(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 V_F 峰值和振荡在 MHz 范围内，是主要的 EMI 噪声源之一，因此对 R_G(on)进行调整，使其达到与初始 23 nH 测试设置相似的 V_F 电平。因此，带有优化 R_G(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E_on和较慢的 di/dt。

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图 4.IGBT导通波形与带优化电阻R_G(on)的直流链路环路电感的关系

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表 4. 总结：IGBT导通特性与带优化电阻R_G(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R_G(off)的不同直流链路环路电感的对比波形。为了使V_CE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R_G(off)。结果显示，较高直流链路环路电感设置导致较高的E_off和较慢的 dV/dt。

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

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表 5. 总结：IGBT关断特性与带优化电阻R_G(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(L_S)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

● I_D = 600 A

● V_GS = +18/−5 V

● R_G(on) = 3.9 Q

● R_G(off) = 1.8 Q

● T_vj= 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V_DS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V_DS和I_D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R_G(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。

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图 6. SiC MOSFET导通波形与直流链路环路电感的关系

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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。

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图 7.SiC MOSFET关断波形与直流链路环路电感的关系

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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R_G的直流链路环路电感(L_G) 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V_DS电压降具有较低的 E_on。同时，从系统层面考虑，必须增加R_G(on)以补偿V_SD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R_G(off)电感设置。图8描述了带优化R_G(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R_G(on)，直到它具有与初始 23nH 测试设置相似的 V_SD 电平，因为V_SD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 E_on 和较慢的 di/dt。

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