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栅极环路电感对SiC和IGBT功率模块开关特性的影响分析

03/12 10:00
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IGBT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)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,本文为第二部分,将主要讨论栅极环路电感影响分析。

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)。

图 1. 双脉冲测试设置

IGBT的开关特性与栅极环路电感(LG)的关系

栅极环路电感会对开关特性造成影响。针对NVH950S75L4SPB模块,在满足以下条件的情况下进行了双脉冲测试。

DUT: 低边FS4 750V 950A IGBT 模块 (NVH950S75L4SPB)

VDC = 400 V

IC = 600 A

VGE = +15/−8 V

RG(on) = 4.0 Q

RG(off) = 12.0 Q

Tvj= 25℃

表10显示了三种不同的栅极环路电感与开关特性之间的测试配置。在栅极驱动器和模块之间添加了外部插座或延长线,以模拟在栅极环路上增加的电感。

表 10. 栅极环路电感测试设置

图10显示了在IGBT导通阶段,不同栅极环路测试配置下的波形对比,总结的特性如表11中所述。较长的栅极环路测试设置显示出较低的Eon值以及更快的di/dt。栅极环路电感主要由栅极环路长度引起。在开始导通时,栅极环路电感能够减缓升流(rising current)速度。当栅极电压达到米勒平台时,环路电感充当电流源(current source),该电流源通过向栅极提供更多电流来加快di/dt的变化。相较于直流链路环路,栅极环路长度对导通特性的影响较小。同时,更高的栅极环路电感会增加栅极电压的过冲,这可能会因 RG 而失去可控性。

图11展示了在IGBT关断期间,不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表12所述。关断特性相比于导通特性受到的影响较小。在关断初期,由栅极回路电感引起的下冲电压略有不同,但并不会对关断特性造成实质性影响。当栅极电压达到米勒平台阶段时,dV/dt和di/dt会因下冲电压而略有变化,但在短时间内会被栅极灌电流迅速恢复。

图 10. IGBT导通波形与栅极环路电感(LG)的关系

表 11. 总结:IGBT导通特性与栅极环路电感

图11展示了在IGBT关断期间,不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表12所述。关断特性相比于导通特性受到的影响较小。在关断初期,由栅极回路电感引起的下冲电压略有不同,但并不会对关断特性造成实质性影响。当栅极电压达到米勒平台阶段时,dV/dt和di/dt会因下冲电压而略有变化,但在短时间内会被栅极灌电流迅速恢复。

图 11. IGBT关断波形与栅极环路电感(LG)的关系

表 12. 总结:IGBT关断特性与栅极环路电感(LG)

SiC MOSFET开关特性与栅极环路电感(LG)的关系

本小节分析了不同栅极环路电感(LG)对SiC MOSFET 开关特性的影响。在与表 10 相同的测试条件下,对 NVXR17S90M2SPC 模块进行了双脉冲测试,测试条件如下。

DUT: 低边NVXR17S90M2SPC

VDC = 400 V

IC = 600 A

VGE = +18/−5 V

RG(on) = 3.9 Q

RG(off) = 1.8 Q

Tvj= 25℃

图 12 显示了 SiC MOSFET 导通期间,栅极环路测试不同设置下的波形比较,表 13 对其特性进行了总结。与 IGBT 的情况一样,较长的栅极环路测试条件下,较快的 di/dt 导致较低的 Eon 和较高的 VSD_peak峰值电压。

图 12. SiC MOSFET导通波形与栅极环路电感(LG)的关系

表 13. 总结:SiC MOSFET 导通特性与栅极环路电感

图13展示了在SiC MOSFET关断期间,不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表14中所述。在测试时,若使用较高的栅极环路电感,即使VDS过冲电压增大,也会反应出较快的di/dt及较低的Eoff。关断后,可作为电磁干扰(EMI)噪声源的ID振荡幅度取决于栅极环路的长度。

图 13. SiC MOSFET关断波形与栅极环路电感(LG)的关系

表 14. 总结:SiC MOSFET关断特性与栅极环路电感

总结

在本应用笔记中分析了电感对IGBT和SiC MOSFET模块开关特性的影响。较高的直流链路环路电感设置会在Eoff和Err较高时导致较低的Eon。此外,结果显示,在23nH和37nH测试设置之间的总开关损耗差距小于2mJ。这可能会让人误认为杂散电感对开关损耗影响不大。

然而,为了符合RBSOA和EMC的要求,调整外部栅极电阻(RG)或其他系统参数很有必要,尽管这样做会牺牲 di/dt 的可控性并且增加开关损耗。图14和图15展示了在优化外部RG前后,直流链路环路电感条件下IGBT和SiC的开关损耗情况。在优化外部RG之前,采用较高的直流链路环路电感设置,总开关损耗相似,但在针对系统性能优化外部RG之后,当直流链路环路电感从23nH变为37nH时,IGBT和SiC案例中的总损耗分别增加了20%和92%。

图 14. IGBT 总损耗比较

图 15. SiC MOSFET 总开关损耗比较

较高的栅极环路电感设置在米勒平台效应后,通过电感效应带来稍快的导通瞬态。从开关损耗的角度来看,其影响比直流链路环路电感要小一些。由于不希望出现栅极过冲现象,较高的栅极环路电感会导致栅极控制能力降低。从短路情况来看,这种电感会拉高栅极电压,因此,通过增加栅极电压可以缩短短路耐受时间。此外,较长的栅极环路可以充当天线,电磁噪声抗干扰能力差,并且可能对其他电路产生干扰。

IGBT 开关损耗与栅极环路电感的关系

总之,最小化直流链路和栅极环路电感对于IGBT/SiC的开关应用是必要的,在满足可控性和电磁兼容性的同时获得更低的开关损耗。

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安森美

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历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社

历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社收起

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