器件緩衝似乎是處理開關過衝
、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案，而這對於諸如IGBT之類較老的技術來說確實如此。但是
，寬禁帶器件，尤其是SiC FET，可以將該技術用為柵極電阻調諧的優良替代方案，以提供較低的總損耗。

 

在這個寬禁帶半導體開關的新時代，器件的類型選擇包括SiC MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）
，tamendouyouzijitexingbingdoushengchengyongyouzuijiadexingneng。danshi
，zheliangzhongdouhaibushilixiangdekaiguan，zheliangzhongleixingdeqijiandouzaimouxiefangmianyoujuxianxing，tebieshizaizhajiqudongyaoqiufangmianhe“第三象限”操作方麵。

 

SiC FET提供了另一種選擇

 

但我們還有另一種選擇。 UnitedSiC FET是SiC JFET和低壓Si MOSFET的一種級聯組合，具有SiC的速度優勢，以及SiC最低傳導損耗的優點，並且僅需要一個簡單的柵極驅動和一個快速
、低功耗的體二極管用於第三象限傳導（圖1）。

SiC FET的速度非常快

，其邊沿速率為50V/ns甚至更高
，這對於最大程度降低開關損耗非常有用，但所產生的di/dt比值可達數安培/納(na)秒(miao)。通(tong)過(guo)封(feng)裝(zhuang)和(he)電(dian)路(lu)電(dian)感(gan)，這(zhe)會(hui)產(chan)生(sheng)極(ji)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)並(bing)導(dao)致(zhi)隨(sui)後(hou)的(de)電(dian)壓(ya)振(zhen)鈴(ling)現(xian)象(xiang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)速(su)率(lv)下(xia)，可(ke)簡(jian)單(dan)分(fen)析(xi)得(de)出(chu)，即(ji)使(shi)幾(ji)十(shi)納(na)亨(heng)（nH）也可能產生數百伏的過衝（從公式E = –L(di/dt)得出）。對dui於yu快kuai速su切qie換huan的de寬kuan禁jin帶dai器qi件jian
，將jiang這zhe種zhong雜za散san電dian感gan降jiang至zhi最zui低di至zhi關guan重zhong要yao。但dan是shi，這zhe在zai實shi際ji的de布bu線xian中zhong卻que很hen難nan實shi現xian

，因yin為wei布bu線xian要yao求qiu必bi須xu在zai高gao壓ya組zu件jian之zhi間jian保bao留liu安an全quan距ju離li，並bing且qie為wei了le獲huo得de更geng好hao的de熱re性xing能neng需xu要yao使shi用yong更geng大da的de半ban導dao體ti封feng裝zhuang。

 

過衝有超過器件額定電壓的風險，並給元器件的長期使用增添了壓力
，但是快速變換的邊緣也會引起絕緣擊穿，並會產生更多的EMI，導致需要使用更大、更geng昂ang貴gui且qie損sun耗hao更geng高gao的de濾lv波bo器qi。因yin此ci
，實shi際ji電dian路lu通tong常chang會hui故gu意yi降jiang低di此ci類lei快kuai速su開kai關guan的de邊bian沿yan速su率lv
，從cong而er允yun許xu使shi用yong可ke能neng具ju有you更geng低di傳chuan導dao損sun耗hao和he更geng小xiao濾lv波bo器qi的de低di壓ya器qi件jian
，用yong來lai抵di消xiao稍shao高gao的de開kai關guan損sun耗hao。

 

緩慢的開關邊沿可減少過衝和EMI

 

有兩種常見的減慢開關邊沿速率的方法：通過增添柵極電阻和通過在器件的漏極-源極端之間使用一個緩衝器。

 

增加柵極電阻確實會降低dV/dt，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)過(guo)衝(chong)，但(dan)是(shi)對(dui)漏(lou)極(ji)電(dian)壓(ya)隨(sui)後(hou)出(chu)現(xian)的(de)振(zhen)鈴(ling)現(xian)象(xiang)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)。柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)的(de)減(jian)慢(man)效(xiao)果(guo)取(qu)決(jue)於(yu)器(qi)件(jian)的(de)總(zong)柵(zha)極(ji)電(dian)荷(he)，而(er)電(dian)荷(he)又(you)取(qu)決(jue)於(yu)諸(zhu)如(ru)柵(zha)極(ji)-源極電容和“米勒”效應等的參數。當器件切換時
，這些參數會表現為可變的柵極-loujidianrong。daotongheguanduandeyanchikeyifenbietongguoshiyonglianggedaikongxiangerjiguandezhajidianzulaikongzhi
，danshi，xiangyaozaisuoyougongzuotiaojianxiadoudadaozhezhongzongtiyouhuadexiaoguoshiyounandude。ciwai，zengjiazhajidianzuhuigeizhajiqudongboxingdailaiyanchi，zhezaigaopinyingyongzhonghuishigedawenti。

 

相反
，簡單的Rs-Cs緩衝器可通過增加開關的漏極電容來減慢dV/dt。它還有一個額外的效果：由於一些電流需要用來給Cs充(chong)電(dian)，因(yin)此(ci)器(qi)件(jian)關(guan)斷(duan)時(shi)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)和(he)電(dian)流(liu)下(xia)降(jiang)之(zhi)間(jian)的(de)重(zhong)疊(die)會(hui)減(jian)少(shao)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)器(qi)件(jian)的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)時(shi)
，必(bi)須(xu)限(xian)製(zhi)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)
，因(yin)此(ci)要(yao)串(chuan)聯(lian)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)，當(dang)器(qi)件(jian)關(guan)斷(duan)時(shi)，該(gai)電(dian)阻(zu)還(hai)可(ke)以(yi)抑(yi)製(zhi)振(zhen)鈴(ling)。缺(que)點(dian)是(shi)電(dian)阻(zu)器(qi)在(zai)此(ci)過(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)會(hui)消(xiao)耗(hao)一(yi)些(xie)功(gong)率(lv)
，並(bing)且(qie)半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)效(xiao)率(lv)的(de)增(zeng)益(yi)會(hui)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)會(hui)被(bei)抵(di)消(xiao)。

 

緩衝器可以成為更低損耗的解決方案

 

SiC FET技術開發商UnitedSiC的研究表明，與單單增加柵極電阻相比，僅需一個非常小的緩衝電容和一個相應的低功率電阻即可實現對dV/dt、過衝和振鈴更有效的控製。當小型緩衝器件與較低的Rg結合使用時，會產生更低的總損耗和更清晰的波形。這種方法對UnitedSiC的FET和傳統的SiC MOSFET都適用。圖2比較了一個有200 pF/10Ω緩衝器的器件（左）和一個添加了5Ω柵極電阻的器件（右）的振鈴現象和dV/dt。雖然兩種方法在關斷時都差不多調諧到了相同的 峰值，但有緩衝器的版本明顯有著更短的延遲時間和更好的振鈴阻尼。

 

圖2：使用RC器件緩衝可降低dV/dt，ID/重疊以及SiC MOSFET的振鈴。（ID = 50 A，V = 800 V，TO247-4L；左：SiC MOSFET的關斷波形

，Rg.off = 0Ω，Rs = 10Ω，Cs = 200 pF；右：SiC MOSFET的關斷波形，Rg.off = 5Ω
，無器件緩衝）。

 

總損耗包含傳導損耗、上升和下降沿上的開關損耗，以及緩衝電阻中的任何功率消耗。通過與SiC MOSFET器件進行比較
，在UnitedSiC上進行的測試表明
，在高漏極電流下，當峰值電壓調諧相當時，采用緩衝方案的關斷能量損耗（EOFF）僅為單單采用柵極電阻時的50％。同時導通能耗（EON）略高（僅約10％）
，對於一個以40 kHz和48 A / 800 V開關的40mΩ器件來說，一個周期約275 µJ（或11 W）的緩衝器對其總體上的影響是正麵的。這種比較在圖3中以藍色和黃色的曲線表示。黑色曲線代表了一個有緩衝器且優化了柵極導通和關斷電阻的40mΩ UnitedSiC SiC FET器件的性能，與測量的SiC MOSFET相比，SiC FET的輸出電容更低，本征速度更快，因此其損耗得到了進一步降低。

 

圖3：比較SiC開關有無緩衝器時的總開關損耗。

 

緩衝電容器在每個開關周期裏都充分地充電和放電，但要注意的是，這些存儲的能量並沒有全部消耗在電阻器上。實際上
，大多數CV2能量是在器件開啟時消耗的。在引用示例中，在40 kHz，ID為 40 A，VDS為 800 V以及有著一個220-pF /10-Ω緩衝器的情況下

，總功率消耗約為5 W
，但電阻僅占0.8W
，其餘的都在開關中消耗了。這樣就可以使用額定電壓合適的小尺寸電阻器（即使是表麵貼裝型也可以）。

 

UnitedSiC的器件具有D2pk7L和DFN8×8以及TO247-4L封裝形式，可實現最佳的熱性能。 TO247-4L封裝的部件與源極之間有開爾文連接，可有效消除源極電感的影響

，減少了開關損耗
，並在高漏極di / dt時生成更幹淨的柵極波形。

 

結論

器件緩衝似乎是處理開關過衝
、振鈴和損耗的一種“野蠻”解決方案，而這對於諸如IGBT之類較老的技術來說確實如此，因為它們的“尾電流”長
，需要大型且有損的緩衝網絡。但是，寬禁帶器件，尤其是SiC FET
，可以將該技術用為柵極電阻調諧的優良替代方案，以提供較低的總損耗
，並且可以采用緊湊
、廉價的元器件來實現。

 

(文章來源：ednchina)