【導讀】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
仿真無法替代實驗,僅供參考。
1、選取仿真研究對象
SiC MOSFET
IMZ120R045M1(1200V/45mΩ)、TO247-4pin、兩并聯(lián)
Driver IC
1EDI40I12AF、單通道、磁隔離、驅(qū)動電流±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)動下橋SiC MOSFET,與上橋的SiC MOSFET Body Diode進行換流。下橋為Q11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)動回路:基于TO247-4pin的開爾文結(jié)構(gòu),功率發(fā)射極與信號發(fā)射級可彼此解耦,再加上1EDI40I12AF這顆驅(qū)動芯片已配備OUTP與OUTN管腳,所以每個單管的驅(qū)動部分都有各自的Rgon、Rgoff和Rgee(發(fā)射極電阻),進行兩并聯(lián)后與驅(qū)動IC的副邊相應管腳連接。
驅(qū)動部分設(shè)置:通過調(diào)整驅(qū)動IC副邊電源和穩(wěn)壓電路,調(diào)整門級電壓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IC之間的PCB走線電感。
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)動態(tài)均流仿真
SiC MOSFET并聯(lián)的動態(tài)均流與IGBT類似,只是SiC MOSFET開關(guān)速度更快,對一些并聯(lián)參數(shù)會更為敏感。如圖2所示,我們先分析下橋Q11和Q12在雙脈沖開關(guān)過程中的動態(tài)均流特性及其影響因素:
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:
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:
圖4.不同Lcx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果
3.3 器件外部門級電感Lgx對并聯(lián)開關(guān)特性的影響
設(shè)置門級電感Lgx_Q11=20nH,Lgx_Q12=40nH,其中Rgon和Rgoff的門級電感都是Lgx,其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下:
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對并聯(lián)開關(guān)特性的影響
在Lex電感不對稱(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,看看對驅(qū)動環(huán)流的抑制與均流效果,其仿真結(jié)果如下:
圖6.加源極抑制電感和電阻之前(虛線)和加之后(實線)的均流特性變化
圖7.不同源極抑制電感和電阻(1Ω虛線)和(3Ω實線)的均流特性變化
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)斷的均流對此非常敏感。因為,源極電感的差異也會耦合影響到驅(qū)動回路,以進一步影響均流。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門級與源極之間的電壓Vgs_Q11。
圖8.不同源極電感時,關(guān)斷時的源極環(huán)流與源極電位差
2、并聯(lián)單管的漏極電感Lcx差異,對均流影響的影響程度要明顯低與源極電感。因為漏極電感不會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、門極電感差異對動態(tài)均流的影響不明顯,而且驅(qū)動電壓Vgs波形幾乎沒有變化。如果把主回路的總雜散電感減小,同時把門級電阻變小,讓SiC工作在更快的di/dt和dv/dt環(huán)境,此時門級電感對均流的影響可能會稍微明顯一點。
4、輔助源極電阻Rgee,對抑制源極環(huán)流和改善動態(tài)均流的效果也不甚明顯。
在這里提出另一個問題:既然Rgee對抑制源極環(huán)流效果一般,那如果給門極增加一點Cge電容呢?請看以下仿真:
圖9 增加1nF門級Cge電容對源極不均流特性的影響(虛線為無Cge,實線為有Cge)
由上述仿真可以看出,Cge電容對于關(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,同時減輕了開通電流振蕩,但是對于開通的均流差異和損耗差異,影響也不大。
張浩 英飛凌工業(yè)半導體
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