1200V 300A SiC MOSFET开关性能评估

由于快速开关、传导损耗和击穿电压增加，碳化硅 MOSFET在现代工业应用中的使用有所增加。凭借最快速的切换速度和更高的频率授权，该框架减小了尺寸并提高了系统效率。大功率 SIC MOSFET 模块是驱动电机系统中可接受的 Si IGBT 替代品。在逆变器和电机彼此远离的情况下，由于反射波，较高的 dV/dt 会给电机绕组保护带来额外负载，这对于大多数驱动电机应用来说非常常见。1由于切换速度更快，即使电缆很短，不同的应用也需要一个 dV/dt 滤波器。可以为 SiC MOSFET 精确设计输出滤波器。2IGBT 的开关性能随着电流的大小而变化。相比之下，电缆长度对开关装置3 的影响很大；碳化硅 MOSFET 表现出对当前状态的更高依赖以及随着长度变化而扩大的变化。对于更高的开关频率，应缩短连续导通和关断相腿之间的控制死区时间 (T d )，以保持控制性能和模块保护之间的最佳平衡。4电缆长度和输出滤波器对 SiC MOSFET 开关性能的影响以及与 Si IGBT 性能的基准测试尚未得到充分探讨。4在简单工程中修改控制死区时间的能力非常关键；在控制新一代设计的不同设置情况下，SiC MOSFET 的性能变化。由于寄生和各种框架安排的多方面性质，长电缆和 dV/dt 滤波器的影响很难在重演中巩固。本文将讨论 1,200V 300A SiC MOSFET 的性能以及电缆长度、死区时间和输出滤波器等不同变量对其开关频率的影响。

实验装置

图 1显示了测试装置的电路图。双脉冲测试（DPT）用于检查电流水平下的开关性能。一个难以区分的入口驱动电路用于整个评估。使用 500-VDC 总线电源，并使用 9,200-µF 电解顶部组来保持传输电压。重叠的传输条有助于最小化圆形寄生电感。

负载电流的大小会影响 IGBT 和 MOSFET 的速度。开关是通过栅极充电和释放来实现的，它依赖于栅极驱动电路和环路电流。MOSFET 开关速度仅取决于在中负载或重负载情况下的栅极驱动电路。5另一方面，在小负载的情况下，来自电源回路的栅极充电或放电电流变为绝对决定开关速度。4

图 1：电路图

不同变量切换的影响

负载电流

负载电流的变化对两个模块的开关性能有不同的影响。在导通过程中，开关速度对电流的依赖性可以忽略不计，特别是对于 MOSFET，因为它在导通过程中只有 16% 的下降，在关断过程中增加到 468%。在高负载电流下，MOSFET 和 IGBT 表现出几乎相同的开关行为，而在低负载电流下，T off表现出巨大的变化，MOSFET 的变化幅度为 468%，IGBT 的变化幅度为 109%。4现已知道，T off比 T on更依赖负载电流。本文的其余部分仅关注各种输出排列场景下的T off变化

2.电缆长度

由于充电和放电持续时间延长，长电缆增加了切换时间。当电缆长度在低电流下增加时，MOSFET T off增加。当我们降低电流时，电缆的减速效果会更高。相比之下，IGBT 在尝试的电流范围内显示出相同的模式；然而，在高电流下，与 MOSFET 相比，T off更依赖于电缆长度的变化。延长的电缆长度会增加释放路径中的阻抗，并增加 T off在低电流下对电缆长度的依赖。比较现象应该在T上以及。另一种看法是，与 IGBT 相比，无论是短线还是长线应用，MOSFET 的高开关速度优势在高电流下都非常明显。

图 2：开关电路设置

3.死区时间优化

在现代驱动电机应用中，在设计基于 SiC MOSFET 的逆变器时，短路检测和保护是另一个重要的主题，尤其是在从现有的基于 Si IGBT 的计划转变时。与具有 8 至 10 µs 短路耐受时间的 IGBT 相比，SiC MOSFET 的耐受时间通常低于 2 µs。6在击穿之前，碳化硅 MOSFET 通常可以承受更高的电流，但其长期可靠性会变差。

死区时间 T d是远离桥接直通的有效策略。对于 IGBT，死区时间通常在 1 至 5 µs 范围内，开关频率为 1 kHz 至 10 kHz。在较低电流下，较慢的关断 (0.4 µs) 时间不会导致短路风险。对于 SiC MOSFET，开关频率在 10 到 50 kHz 范围内，死区时间低于 1 µs，以实现卓越的控制性能。低电流下较慢的关断会导致短路危险。

死区时间应根据负载曲线和输出设置进行精确平衡。基于模型的死区时间优化5需要更多的硬件推测。此外，由于快速开关带来的噪声耦合，精确估计来自栅极驱动电路的低电压信号很麻烦。

至于输出电缆的影响，具体情况取决于组件，如电缆长度、沿这些线路的输出滤波器电容，将它们连接在一起并不容易。根据检查结果，现在甚至可以得出一些一般准则。电缆长度在影响使用输出滤波器时假定无关紧要。在高电流活动中，长电缆不会影响开关频率，但会影响低电流操作。电缆规格尺寸或长度可用作用于死区时间优化目的的控制输入。4

结论

使用硬件系统进行测试是为了仔细检查负载电流和电缆长度对 SiC MOSFET 的影响，而 Si IGBT 会关闭该过程，因为在娱乐模型中包含输出排列的复杂性。与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 的关断时间对随机流和输出设计的影响更大。在高电流下，电缆长度和滤波器等不同因素的安装会产生微不足道的关断变量。长电缆会降低低电流下的开关速度。为了补偿关断时间的变化，避免短路以获得良好的控制性能，采用指数函数模型根据负载电流驱动T off，可用于优化T d，不需要额外的硬件安装。

审核编辑：郭婷