理想的开关带来了自身的挑战

询问电源转换器设计人员他们希望从半导体开关中获得什么，答案可能是这样的：“低导通电阻、高关断电阻以及两种状态之间的最快转换”。当然，这个想法很简单，这给出了低功耗。SiC FET接近这一理想水平，在6V级中，导通电阻现在小于750毫欧，边沿速率在纳秒级，对于多千瓦范围内的转换器和逆变器来说，效率数字有望达到99.5%以上。

稍加考虑，设计人员还将抛出一些“顺便”的方法，例如简单的栅极驱动、高额定电压、高效的第三象限操作、高雪崩能量和短路额定值、低热阻、低系统成本等等。幸运的是，SiC FET也涵盖了这些基座，其品质因数是同类最佳的。

因此，我们有一个快乐的设计师，直到他们让SiC FET以最大边缘速率在面包板中松动，并且立即冒烟。“电源电压远低于最大值，只有轻负载！”但是用多少接线和连接电感呢？3000A/μs的惊人电流边沿速率和仅100nH的电感产生了我们熟悉的公式V = -L.di/dt的300V电压尖峰，给开关带来压力，并引发持续几微秒的高频环，在SiC FET屈服之前的短时间内消除本地无线电接收。

我们现在意识到，除非我们努力实现零连接电感或过度指定开关电压额定值并允许重EMI滤波，否则需要控制边沿速率并抑制振铃。限制电压尖峰的传统方法是增加串联栅极电阻RG（OFF），但这有其自身的问题，增加了波形延迟，限制了占空比和高频操作 - 这是宽带隙开关的主要优势之一。栅极电阻也会显著增加开关损耗，对振铃影响不大。

更好的解决方案是简单的RC缓冲器。您可能会对IGBT通常需要的大型热电阻电容网络的想法感到困惑，但对于SiC FET，它就不同了。它主要用于抑制连接电感和器件电容之间的谐振，而SiC FET的谐振极低。这意味着通常只需要大约200pF（Coss（er）的2X或3X）的电容，只需几欧姆的串联电阻即可提供阻尼。缓冲电阻中会消耗一些功率，但网络的作用是减少硬开关和软开关应用中关断电压和电流之间的重叠，因此这种转换的损耗实际上较小。

缓冲器在导通时会产生一些耗散，因此为了获得完整的图像，应考虑总损耗 E（ON） + E（OFF）。该图显示了 40 毫欧的 E（TOTAL）。蓝线没有缓冲器，RG（ON）和RG（OFF）均为5欧姆。黄线为 RG（ON） 为 5 欧姆，RG（OFF） 为零欧姆，缓冲器为 200pF/10 欧姆。使用40A缓冲器具有明显的净优势，当工作在10kHz时，功耗降低约9.40W。在轻负载下，情况相反，但这些水平的耗散很低。

缓冲器是一个很好的解决方案，但它是一个不方便的开销吗？如果在典型应用中评估缓冲电阻吸收的能量，则每个周期的能量可能约为120μJ，相当于5kHz时超过40W。然而，测试表明，其中大部分耗散在SiC FET通道中，因为它在导通时通过其线性区域转换，而不是在缓冲电阻中。结果是，缓冲器中通常有一个1W的电阻器就足够了，在这个功率水平下，缓冲器很容易成为表面贴装类型。电容器很小。

设计师现在可以愉快地在他们的愿望清单中勾选另一个项目，以获得完美的开关 - 一种可以轻松，廉价地驯服以减少过冲和振铃的设备，而不会影响其他好处。

审核编辑：郭婷