【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)，電壓過沖和振鈴開始成為問題。適用于SiC FET的簡單RC緩沖電路可以解決這些問題，并帶來更高的效率增益。
若要問功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計師，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。”當(dāng)然，這一想法的核心，簡單來說，就是功率耗損低。SiC FET接近這種理想開關(guān)，750V級該器件的導(dǎo)通電阻現(xiàn)在還不到6毫歐，邊沿速率以納秒計，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)計師還會加上幾個“順便”要求，如柵極驅(qū)動簡單、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，其性能表征十分出眾。
因此，設(shè)計師感到滿意，直至他們在最大邊沿速率下將SiC FET松散地插在電路試驗(yàn)板上，這時會立即冒出一股煙，可此時“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，從而摧毀了局部無線電接收，只一小會兒，SiC FET就毀壞了。
現(xiàn)在，我們認(rèn)識到，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，限制電壓峰值的傳統(tǒng)方法是添加串聯(lián)柵極電阻RG(OFF)，但是這會帶來問題，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)勢之一。柵極電阻還會顯著增加開關(guān)損耗，而對振鈴毫無效果。
一個更好的解決方案是使用簡單的RC緩沖電路。面對IGBT通常需要的大型熱電阻電容網(wǎng)絡(luò)，您可能會猶豫，但是對于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，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。
緩沖電路會在打開時產(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時使用緩沖電路明顯只有好處，當(dāng)在40kHz下運(yùn)行時損耗會減少約10.9W。在負(fù)載輕的時候，情況反過來了，但是在這些級別下，損耗不大。
緩沖電路是一個很好的解決方案，但它會不會成為一項(xiàng)不可忽視的開支？如果在典型的應(yīng)用中評估緩沖電路電阻耗費(fèi)的能量，則每個循環(huán)可能約為120μJ，相當(dāng)于在40kHz下耗費(fèi)超過5W的能量。然而，測試表明，這些能量中大部分是在打開時通過線性區(qū)過渡期間在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，在這個功率級別，表面安裝類型就足以輕松應(yīng)對了。電容器的體積不會大。
現(xiàn)在，設(shè)計師可以滿意地表示，他們解決了通向完美開關(guān)的又一個難題。這個器件可以輕松便宜地運(yùn)用，以降低過沖和振鈴，而又不影響其他優(yōu)勢。
來源：UnitedSiC
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