【導(dǎo)讀】隨著我們的產(chǎn)品接近邊沿速率超快的理想半導(dǎo)體開關(guān)，電壓過(guò)沖和振鈴開始成為問(wèn)題。適用于SiC FET的簡(jiǎn)單RC緩沖電路可以解決這些問(wèn)題，并帶來(lái)更高的效率增益。
若要問(wèn)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師，他們想要怎樣的半導(dǎo)體開關(guān)，那回答可能是：“有低導(dǎo)通電阻、高關(guān)閉電阻，且兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換盡可能快?！碑?dāng)然，這一想法的核心，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是功率耗損低。SiC FET接近這種理想開關(guān)，750V級(jí)該器件的導(dǎo)通電阻現(xiàn)在還不到6毫歐，邊沿速率以納秒計(jì)，數(shù)千瓦的轉(zhuǎn)換器和逆變器的效率值有望達(dá)到99.5%以上。
若是稍加考慮，設(shè)計(jì)師還會(huì)加上幾個(gè)“順便”要求，如柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、額定電壓高、第三象限高效運(yùn)行、雪崩能量高、短路額定值高、熱阻低、系統(tǒng)成本低等若干項(xiàng)。幸運(yùn)的是，SiC FET也兼具這些優(yōu)勢(shì)，其性能表征十分出眾。
因此，設(shè)計(jì)師感到滿意，直至他們?cè)谧畲筮呇厮俾氏聦iC FET松散地插在電路試驗(yàn)板上，這時(shí)會(huì)立即冒出一股煙，可此時(shí)“供電電壓遠(yuǎn)不到最大值，負(fù)載也輕！”但是配線電感和連接電感又是多少呢？在驚人的3000A/μs電流邊沿速率下，電感僅100nH，根據(jù)人們熟知的等式V = -L.di/dt，產(chǎn)生的電壓峰值為300V，從而增加開關(guān)應(yīng)力，引起持續(xù)數(shù)微秒的高頻振鈴，從而摧毀了局部無(wú)線電接收，只一小會(huì)兒，SiC FET就毀壞了。
現(xiàn)在，我們認(rèn)識(shí)到，除非我們向著零連接電感努力，或者苛刻地規(guī)定開關(guān)額定電壓并實(shí)現(xiàn)極大的電磁干擾濾波，否則就需要控制邊沿速率并抑制振鈴。一直以來(lái)，限制電壓峰值的傳統(tǒng)方法是添加串聯(lián)柵極電阻RG(OFF)，但是這會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，造成波形延遲，進(jìn)而限制占空比和高頻運(yùn)行，而高頻運(yùn)行是寬帶隙開關(guān)值得稱道的優(yōu)勢(shì)之一。柵極電阻還會(huì)顯著增加開關(guān)損耗，而對(duì)振鈴毫無(wú)效果。
一個(gè)更好的解決方案是使用簡(jiǎn)單的RC緩沖電路。面對(duì)IGBT通常需要的大型熱電阻電容網(wǎng)絡(luò)，您可能會(huì)猶豫，但是對(duì)于SiC FET，情況則有所不同。它主要用于抑制連接電感和器件電容之間的諧振，在采用SiC FET時(shí)，諧振極低。這意味著通常只需要大約200pF（2倍或3倍Coss(er)）電容與數(shù)歐的串聯(lián)電阻就可以進(jìn)行抑制。緩沖電路電阻會(huì)損耗一定功率，但是該電路網(wǎng)的作用是在軟硬開關(guān)應(yīng)用中減少關(guān)閉電壓和電流之間的交疊，以便在此轉(zhuǎn)換中切實(shí)減少損耗。
緩沖電路會(huì)在打開時(shí)產(chǎn)生一定損耗，因此，要了解整體情況，應(yīng)該考慮總損耗E(ON) + E(OFF)。下圖顯示的是40毫歐下的E(TOTAL)。藍(lán)線表示的是無(wú)緩沖電路，RG(ON)和RG(OFF)均為5歐的情況。黃線表示的是RG(ON)為5歐，RG(OFF)為零歐，并使用200pF/10歐緩沖電路的情況。在40A時(shí)使用緩沖電路明顯只有好處，當(dāng)在40kHz下運(yùn)行時(shí)損耗會(huì)減少約10.9W。在負(fù)載輕的時(shí)候，情況反過(guò)來(lái)了，但是在這些級(jí)別下，損耗不大。
緩沖電路是一個(gè)很好的解決方案，但它會(huì)不會(huì)成為一項(xiàng)不可忽視的開支？如果在典型的應(yīng)用中評(píng)估緩沖電路電阻耗費(fèi)的能量，則每個(gè)循環(huán)可能約為120μJ，相當(dāng)于在40kHz下耗費(fèi)超過(guò)5W的能量。然而，測(cè)試表明，這些能量中大部分是在打開時(shí)通過(guò)線性區(qū)過(guò)渡期間在SiC FET溝道中損耗的，而不是在緩沖電路電阻上損耗的。因而在緩沖電路中使用1W電阻通常就足夠了，在這個(gè)功率級(jí)別，表面安裝類型就足以輕松應(yīng)對(duì)了。電容器的體積不會(huì)大。
現(xiàn)在，設(shè)計(jì)師可以滿意地表示，他們解決了通向完美開關(guān)的又一個(gè)難題。這個(gè)器件可以輕松便宜地運(yùn)用，以降低過(guò)沖和振鈴，而又不影響其他優(yōu)勢(shì)。
來(lái)源：UnitedSiC
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