《電子技術(shù)應(yīng)用》
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仿真看世界之SiC MOSFET單管的并聯(lián)均流特性

2021-09-08
作者:張浩,,英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體
來源:英飛凌
關(guān)鍵詞: SiC 英飛凌 SPICE MOSFET

  開篇前言

  關(guān)于SiC MOSFET的并聯(lián)問題,英飛凌已陸續(xù)推出了很多技術(shù)資料,,幫助大家更好的理解與應(yīng)用,。此文章將借助器件SPICE模型與Simetrix仿真環(huán)境,分析SiC MOSFET單管在并聯(lián)條件下的均流特性,。

  特別提醒

  仿真無法替代實(shí)驗(yàn),,僅供參考。

  1,、選取仿真研究對(duì)象

  SiC MOSFET

  IMZ120R045M1(1200V/45mΩ),、TO247-4pin、兩并聯(lián)

  Driver IC

  1EDI40I12AF,、單通道,、磁隔離、驅(qū)動(dòng)電流±4A(min)

  2,、仿真電路Setup

  如圖1所示,,基于雙脈沖的思路,搭建雙管并聯(lián)的主回路和驅(qū)動(dòng)回路,,并設(shè)置相關(guān)雜散參數(shù),,環(huán)境溫度為室溫,。

  外部主回路:直流源800Vdc、母線電容Capacitor(含寄生參數(shù)),、母線電容與半橋電路之間的雜散電感Ldc_P和Ldc_N,、雙脈沖電感Ls_DPT

  并聯(lián)主回路:整體為半橋結(jié)構(gòu),雙脈沖驅(qū)動(dòng)下橋SiC MOSFET,,與上橋的SiC MOSFET Body Diode進(jìn)行換流,。下橋?yàn)镼11和Q12兩顆IMZ120R045M1,經(jīng)過各自發(fā)射極(源極)電感Lex_Q11和Lex_Q12,,以及各自集電極(漏極)電感Lcx_Q11和Lcx_Q12并聯(lián)到一起,;同理上橋的Q21和Q22的并聯(lián)結(jié)構(gòu)也是類似連接。

  并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回路:基于TO247-4pin的開爾文結(jié)構(gòu),,功率發(fā)射極與信號(hào)發(fā)射級(jí)可彼此解耦,,再加上1EDI40I12AF這顆驅(qū)動(dòng)芯片已配備OUTP與OUTN管腳,所以每個(gè)單管的驅(qū)動(dòng)部分都有各自的Rgon,、Rgoff和Rgee(發(fā)射極電阻),,進(jìn)行兩并聯(lián)后與驅(qū)動(dòng)IC的副邊相應(yīng)管腳連接。

  驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置:通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)IC副邊電源和穩(wěn)壓電路,,調(diào)整門級(jí)電壓Vgs=+15V/-3V,,然后設(shè)置門極電阻Rgon=15Ω,Rgoff=5Ω,,Rgee先近似設(shè)為0Ω(1pΩ),,外加單管門極與驅(qū)動(dòng)IC之間的PCB走線電感。

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  圖1.基于TO247-4Pin的SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖

  3,、并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流仿真

  SiC MOSFET并聯(lián)的動(dòng)態(tài)均流與IGBT類似,,只是SiC MOSFET開關(guān)速度更快,對(duì)一些并聯(lián)參數(shù)會(huì)更為敏感,。如圖2所示,,我們先分析下橋Q11和Q12在雙脈沖開關(guān)過程中的動(dòng)態(tài)均流特性及其影響因素:

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  圖2.下橋SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖

  3.1 器件外部功率源極電感Lex對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響

  設(shè)置Lex_Q11=5nH,Lex_Q12=10nH,其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下:

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  圖3.不同Lex電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

  3.2 器件外部功率漏極電感Lcx對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響

  設(shè)置Lcx_Q11=5nH,Lcx_Q12=10nH,,其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下:

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  圖4.不同Lcx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

  3.3 器件外部門級(jí)電感Lgx對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響

  設(shè)置門級(jí)電感Lgx_Q11=20nH,Lgx_Q12=40nH,,其中Rgon和Rgoff的門級(jí)電感都是Lgx,其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下:

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  圖5.不同Lgx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

  3.4器件外部源極環(huán)流電感Lgxe和環(huán)流電阻Rgee對(duì)并聯(lián)開關(guān)特性的影響

  在Lex電感不對(duì)稱(不均流)的情況下,,設(shè)置不同的源極抑制電感和電阻Lgxe=20nH,Rgee=1Ω和3Ω,,看看對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)流的抑制與均流效果,其仿真結(jié)果如下:

  微信截圖_20210908135014.png

  4,、總結(jié)

  基于以上TO247-4pin的SiC MOSFET兩并聯(lián)的仿真條件與結(jié)果,,我們可以得到如下一些初步的結(jié)論:

  1、并聯(lián)單管的源極電感Lex差異,SiC MOSFET的開通與關(guān)斷的均流對(duì)此非常敏感,。因?yàn)?,源極電感的差異也會(huì)耦合影響到驅(qū)動(dòng)回路,以進(jìn)一步影響均流,。如下圖8所示,,以關(guān)斷為例,由于源極電感Lex不同,,造成源極環(huán)流和源極的電位差(VQ11_EE-VQ12_EE),推高了Q11源極電壓VQ11_EE,,間接降低了Q11門級(jí)與源極之間的電壓Vgs_Q11,。

微信截圖_20210908135034.png

  2、并聯(lián)單管的漏極電感Lcx差異,,對(duì)均流影響的影響程度要明顯低與源極電感,。因?yàn)槁O電感不會(huì)直接影響由輔助源極和功率源極構(gòu)成的源極環(huán)流回路。

  3,、門極電感差異對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響不明顯,,而且驅(qū)動(dòng)電壓Vgs波形幾乎沒有變化。如果把主回路的總雜散電感減小,,同時(shí)把門級(jí)電阻變小,,讓SiC工作在更快的di/dt和dv/dt環(huán)境,此時(shí)門級(jí)電感對(duì)均流的影響可能會(huì)稍微明顯一點(diǎn),。

  4,、輔助源極電阻Rgee,對(duì)抑制源極環(huán)流和改善動(dòng)態(tài)均流的效果也不甚明顯,。

  在這里提出另一個(gè)問題:既然Rgee對(duì)抑制源極環(huán)流效果一般,,那如果給門極增加一點(diǎn)Cge電容呢?請(qǐng)看以下仿真:

微信截圖_20210908135058.png

  由上述仿真可以看出,,Cge電容對(duì)于關(guān)斷幾乎沒有影響,,而Cge之于開通只是以更慢的開通速度,增加了Eon,,同時(shí)減輕了開通電流振蕩,,但是對(duì)于開通的均流差異和損耗差異,影響也不大,。





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