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SiC FET如何做到最大限度地降低电磁干扰和开关损耗?

在这个宽禁带半导体开关的新时代,器件类型选择包括高电子迁移率晶体管 (HEM),它们各有特点,都声称具有最佳性能。然而,两者都不是理想的开关,这两种类型的器件在某些领域都有局限性,特别是在栅极驱动要求和第三象限操作方面。提供了另一种选择,但我们还有另一种选择。是的,并且是低电压的这种级联组合具有速度优势和最低的传导损耗,并且只需要一个简单的栅极驱动器和一个快速、低功耗的体二极管即可实现第三象限传导(图 1。图 1:和级联组合速度非常快,边沿速率为 50 或更高,这对于最大限度地降低开关损耗非常有用,但会导致几安培和纳秒的比率。通过封装和电路电感,这会产生极高的高压过冲并导致随后的电压振铃。在这种电流变化率下,可以很容易地分析出,即使是几十纳亨也会产生数百伏的过冲(从方程中)。对于最小化这种杂散电感对于快速开关宽带隙至关重要然而,这在实际布线中很难实现,需要高压元件之间有安全距离,并且为了获得更好的热性能需要使用la rger 半导体封装。过冲风险超过器件的电压额定值,给器件的长期使用增加压力,但快速变化的边缘也会导致介质击穿并造成更多,导致需要使用使用更大、更昂贵和更高损耗的滤波器。因此,实际电路通常有意减慢这种快速开关的边沿速率,允许使用可能具有较低导通损耗和较小滤波器的低压器件来抵消略高的开关损耗。缓慢的开关边沿可减少过冲,降低开关边沿速率的常用方法有两种:增加栅极电阻和在器件的漏极和源极端子之间使用缓冲器。增加栅极电阻确实会降低过冲,但对随后的漏极电压振铃影响不大。栅极电阻的减速效应取决于器件的总栅极电荷,而栅极电荷又取决于栅源电容和米勒效应等参数。这些参数表现为器件开关时的可变栅漏电容。开启和关闭延迟可以通过使用两个带有转向二极管的栅极电阻器单独控制,但在所有工作条件下实现这种整体优化效果是困难的。此外,增加栅极电阻会导致栅极驱动波形出现延迟,这在高频应用中可能是一个大问题。相反,可以通过增加开关的漏极电容来减慢简单的缓冲器。它还有一个附加作用:由于需要一些电流来为器件充电,因此器件关闭时电压上升和电流下降之间的重叠减少了,从而降低了器件的开关损耗。当开关打开时,必须限制电容器的放电电流,因此串联了一个电阻器,该电阻器也可以在器件关闭时抑制振铃。缺点是电阻在这里在此过程中不可避免地会消耗一些功率,并在一定程度上抵消半导体开关效率的增益。缓冲器可以是更低损耗的解决方案 技术开发人员的研究表明,与单独增加栅极电阻相比,只需要一个非常小的缓冲电容器和一个相应的低功率电阻即可实现配对、过冲和振荡。钟声控制更有效。当使用小型缓冲器设备时,总损耗更低,波形更锐利。这种方法适用于右派和传统派。图 2 比较了带有 20010 缓冲器的器件(左)和添加了 5 栅极电阻器的器件(右和该器件具有明显更短的延迟时间和更好的振铃阻尼。图2:使用设备缓冲减少振铃、重叠和最大振铃。(50、800、2474;左:0、10、200 的关断波形;右:转弯-off 波形, 5, no device 总的缓冲损耗包括传导损耗、上升沿和下降沿的开关损耗以及缓冲电阻中的任何功耗。 , 当峰值电压被调谐到相当时, 使用缓冲器方案的关断能量损失 (只有栅极电阻单独的大约 50%). , 对于在 40 和 48800 开关的 40 器件, 缓冲器约为每个周期 275(或 11)个影响其整体是积极的。这种比较由图 3 中的蓝色和黄色曲线表示。黑色曲线表示 40 器件的性能,该器件具有缓冲器和优化的栅极开启和关闭电阻,与实测损耗进一步降低。图 3:使用和不使用缓冲器时的总开关损耗比较。缓冲电容器在每个开关周期内完全充电和放电,但重要的是要注意,并非所有存储的能量都消耗在电阻器中。在实践中,当设备开启时,这 2 种能量中的大部分都被消耗掉了。在引用的示例中,使用 40、40、800 和 22010 缓冲器,总功耗约为 5,但电阻仅为 08,其余的都在开关中消耗。这允许使用具有合适额定电压(甚至是表面贴装)的小型电阻器。这些器件采用 27 和 88 以及 2474 封装,以实现最佳热性能。2474 封装在源极和开尔文连接之间有部件有效地消除消除源极电感的影响,降低开关损耗,并在高漏极处产生更清晰的栅极波形。结论器件缓冲似乎是一种处理开关过冲、振铃和损耗解决方案的野蛮方法,这对于旧技术如因为这些具有长尾电流并需要大而有损耗的缓冲网络。然而,特别是宽带隙器件,可以使用这种技术作为栅极电阻调谐的绝佳替代方案,以提供更低的总损耗,并且可以采用使用紧凑、廉价的组件实现。参考文字: 责任编辑:本文为《电子工程专刊》2021年6月号文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

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