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本文分析了系統寄生參數對SiC(碳化硅)器件使用的影響。本文還研究了SiC MOS開關開通時的過流機理，以及開通電流振蕩的原因。除了寄生電感對功率器件電壓應力的影響外，本文還討論了系統設計中寄生電容對開通電流應力、電流振蕩和開通損耗的負面影響。
01 導言
隨著SiC技術的發展和電力電子行業的增長，SiC器件越來越受到工程師們的青睞。主要半導體制造商正在開發從平面柵到溝槽柵的各種器件[1,2]。這主要是由于碳化硅作為一種寬禁帶半導體，具有較低傳導損耗的優勢。這使得高壓MOSFET和高壓SiC肖特基二極管的產品化成為可能。
02 開通電流過沖
傳統的PN結二極管具有反向恢復效應，而肖特基結構的單極理論中不存在這種效應[3,4]。然而，在實際應用中，當電流在SiC MOS和SiC肖特基二極管換流時，MOSFET的開通電流存在類似于反向恢復的過沖電流現象。
2.1 碳化硅肖特基二極管中的換向電流過沖
理論上,肖特基二極管沒有PN結或剩余電荷，因此不存在反向恢復。然而，在圖1所示的仿真結果（使用SPICE模型）中，可以觀察到在MOSFET開通（二極管關斷）期間有類似于反向恢復的電流。這是由于二極管的結電容在開關瞬間充電所致。具體來說，如果上橋臂的開關開通，下橋臂二極管的結電容充電會產生結電流。
圖1.SiC MOSFET開關過程仿真結果
圖2.續流二極管與電容Ca并聯時換流的仿真結果
當在續流橋臂上并聯不同值的電容（無、100pF、200pF、300pF）時，仿真結果如圖2所示。可以看出，隨著并聯二極管電容的增大，等效反向恢復電流也隨之增大。仿真數據匯總如表1所示，可以看出等效反向恢復電流越大，換向開關導通時的電流IQ1就越大。
表1. 并聯電容續流二極管的數據匯總
總之，在碳化硅肖特基二極管中看到的明顯反向恢復電流是由寄生電容的存在造成的。當開關開通時，二極管導通電壓給寄生電容充電，導致電流疊加到開關上。
2.2 SiC MOS開關開通電流過沖
這一細節將在最后的論文中討論。
03 開關電流振蕩
圖3顯示了SiC MOS開關的測量波形。它顯示了開通瞬間存在明顯電流過沖，及電流振蕩。
圖3.SiC MOS和SiC肖特基換向器開關的測量波形
圖4.將系統寄生參數考慮在內的SiC MOS和SiC肖特基換流仿真
其主要原因是功率回路的電感與回路的寄生電容產生了諧振[5]。可以通過仿真分析這一原因。仿真電路如圖4所示。
3.1 續流開關(交流/母線負)寄生電容對振蕩的影響
我們考慮了功率器件的寄生參數,而不是主回路的寄生參數。TO-247封裝的典型寄生電感Lq約為13nH，所選二極管的寄生電感Ld約為6.5nH。開通時刻的電路振蕩回路如圖5b所示。通過將額外的雜散電感La串入主回路，并將寄生電容Ca并入續流橋臂，得到了IQ1的仿真頻率,其計算結果如表2所示。
a.Ca=none時的電流振蕩頻率
b.等效振蕩回路
圖5.考慮Ca時的開通電流振蕩。
表2. 帶并聯電容器Ca的續流開關的振蕩頻率數據
從這些結果可以看出，當不考慮系統電路的寄生電容，只考慮功率器件的電容時，振蕩由環路3決定。當有額外的寄生電容Ca時，振蕩主要由環路1決定。
3.2 開關(或交流/母線正)寄生電容對振蕩的影響
這一細節將在最后的論文中討論。
04 系統寄生參數對SiC MOS開關的影響
4.1 寄生電容的影響
假設母線的寄生電感為La=15nH，分析了帶有寄生電容的連續器（或Ac和Bus-）的寄生電容。模擬結果如圖6所示。結果表明，隨著電容Ca的增大，振蕩頻率降低，過充電電流的峰值增大。
仿真結果匯總于表3。隨著電容Ca的增大，導通損耗增大，關斷損耗減小。
圖6寄生電容Ca對開通電流振蕩的影響。
表3. 續流開關并聯電容Ca對開關損耗的影響
4.2 寄生電感的影響
這一細節將在最后的論文中討論。
05 結論
本文討論了系統寄生參數對SiC器件開關性能的影響，并進行了仿真分析。論文重點討論了SiC MOS 器件在開關期間由于寄生電容的存在而產生的導通電流尖峰、電流振蕩以及對Eon損耗的影響。
參考文獻
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