半桥结构中的SiC MOSFET串扰电压建模研究.docx

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1、半桥结构中的SiCMOSFET串扰电压建模研究1项目背景SiCMOSFET凭借着低开关损耗、高工作频率与高运行结温等优点，在高性能电力电子装置中应用日益广泛。然而，SiCMOSFET的栅极串扰现象严重制约SiC器件的产业化应用。已有的串扰抑制方法重点关注由栅极-漏极寄生电容引入的串扰问题，工业界广泛采用基于驱动回路优化布局的串扰电压被动抑制方法。实际上，串扰电压是由器件栅极-漏极电容、共源电感与驱动阻抗共同作用的结果，现有驱动回路优化设计方法的约束条件较多、优化空间较小、抑制效果有限。目前对SiC功率器件的串扰机理研究还不够深入，亟需开展串扰电压的量化数值模型研究，由此提出SiC器件的串扰电压

2、抑制新方案。2论文所解决的问题及意义(b)器件典型波形由图1所示的Sie功率器件等效电路与串扰波形可知,若驱动回路设计不当，器件存在误开通与门极损坏风险。基于SiCMOSFET器件的开关模态，提出了计及共源电感的分段线性化串扰电压数值模型。该模型考虑了栅漏电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响，提高了模型精度。在揭示串扰机理的基础上，提出了基于关断回路阻抗重塑的主动抑制新方法，消除了共源电感与栅漏电容对串扰电压的影响。（八）计及共源电感器件等效电路图1等效电路与典型波形图3论文重点内容1)串扰电压的来源图2为典型半桥拓扑，上管栅极串扰电压主要来源于栅漏电容的充放电位移电流、共源电感

3、的感应电压与驱动回路的综合作用。图2半桥电路中的串扰现象2)串扰电压数学模型的建立与验证图3为半桥拓扑的分段线性化等效波形，根据电压电流变化规律将其划分为主要的四个阶段。图3开通、关断时刻分段线性化波形建立的串扰电压数值模型考虑了共源电感、器件非线性结电容特性和体二极管反向恢复特性。四个阶段的串扰电压表达式如下：(yJHW)=(1.HTgd_H&h)I/(,fzfaA、T2(，)=AHc-etJ+%Hl(*)e,FJH3(/)=Vvi1一/)(1)7_h4)=(1.h+&-h4_h)&e+Vg_H3(*3)e+VB*_H4_rr(O为进一步验证模型有效性，图4为数值模型与实验比对结果，两者在变

4、化趋势上良好吻合。主要误差来源于测量偏差、功率回路寄生振荡、数据手册提取的器件参数与实际的差异以及数值模型的分段线性化处理。Time(s)b)下管开通时上管中扰电压图4串扰电压数值模型计算结果与实验结果对比图3)基于关断回路阻抗重塑的主动抑制方法为抑制串扰电压，提出了一种基于关断回路阻抗重塑的主动抑制方法。电路结构与开关序列如图5所不，该方法能够有效消除共源电感和栅漏电容引起的串扰电压。PWM1.PWMH图5新型串扰抑制电路与开关序列图6对比了该方法与传统米勒钳位的串扰抑制效果，该方法相比米勒钳位更具安全性与有效性。0.02.04.06.0时间(s)图6提出的方法与米勒钳位串扰抑制效果对比图4

5、结论1)建立了计及共源电感的串扰电压精准数值模型，量化了栅漏电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响。2)提出了基于关断回路阻抗重塑的主动抑制方法，有效消除了共源电感与栅源电容对串扰电压的影响。附参考资料：SiCMOSFET模块串扰问题及应用对策研究针对SiCMOSFET模块应用过程中出现的串扰问题，文章首先对3种测量差分探头的参数和测量波形进行对比，有效减小测量误差；然后详细分析串扰引起模块栅源极出现电压正向抬升和负向峰值过大的原因，并提出3种有效应用对策：减小栅极阻抗、采用有源米勒箝位和三级关断串扰抑制电路。其中，减小栅极阻抗可减小感应压降，抑制栅源极过压；有源米勒箝位技术使栅源

6、极电压串扰波形幅值限制在箝位电压范围；利用三级关断串扰抑制电路技术，显著抑制了栅源极电压的正向抬升和负向峰值，最后通过试验仿真验证了3种方法的有效性。引言Si(Silicon)基IGBT(InsulatedGateBipolarTran-sistor)是由双极型三极管(BipolarjunctionTransistor,BJT)和绝缘栅型场效应管(MetaioxideSemiconduc-tor,MC)S)组成的复合全控型器件，综合了两种器件的优点，并采用电压控制器件开关，驱动功率小且饱和压降低，适用于轨道交通、电网、汽车和新能源等变流领域。相比较于Si材料，SiC(SiliconCarbid

7、e)具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿场强和电子饱和漂移速度等诸多优点，应用在单极型模块SiCMOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)中可使其开关损耗更低，在高温、大功率和高频率的严苛条件下也能正常工作口。SiCMoSFET模块目前广泛运用于新能源汽车逆变器、车载充电、光伏、风电、智能电网等领域2-9,展示了新技术的优良特性。但SiCMoSFET模块的高频化和高开关速度，引发了新的应用问题，即串扰问题，对SiCMOSFET模块应用造成影响，严重时会导致SiCMoSFET模块无法正常工作。串扰问题是指在半桥电路中，SiCMOS

8、FET模块开关动作引起另一个SiCMoSFET模块开关的栅源极电压波动的问题，分为正向串扰和负向串扰。以1200V600ASiCMOSFET为例，栅极开通控制电压为+15V,栅极关断电压为-5V。当半桥电路发生正向串扰时，上桥臂SiCMOSFET(以下简称“上管”)的栅极电压由-5V升高至+15V,上管开通过程会引起下桥臂SiCMOSFET(以下简称“下管“)的栅极电压从-5V向OV方向升高，即正向抬升，若正向抬升超过下管栅极阈值将导致误开通，造成上下管短路。当发生负向串扰时，上管栅极由+15V降低为-5V,上管关断过程则引起下管栅极电压从-5V向更低负压方向变化，即负向增大，若负向增大超过下

9、管栅极负压耐受极限将会导致栅极击穿，从而造成器件失效。目前国内外学者对串扰问题的研究非常广泛且深入。文献101分析了SiCMoSFET在无线充电系统中的串扰，发现在该系统中仅存在负向串扰，无正向串扰。文献11研究了SiCMOSFET栅源回路参数对串扰问题的影响，发现串扰扰动随桥臂自身驱动电阻和杂散电感的增大而增大，随着栅极电容的增大而减少，分析得出影响串扰的因素主要是栅源回路参数。文献12针对抑制串扰策略,开展了基于驱动IC芯片的栅极有源嵌位技术研究，取得较好效果。文献13提出在栅极谐振辅助电路增加三级驱动技术，既能抑制正向串扰和负向串扰，又能降低开关损耗。综上所述，现有学者对SiCMOSFE

10、T模块的串扰问题已做了大量研究。串扰的发生与应用电路、驱动技术和SiCMOSFET型号等都有关联，对应不同的应用场景和SiCMOSFET型号，会出现不同程度的串扰。本文选取1200V6(X)ASiCMOSFET为研究对象，针对串扰问题提出3种应对策略：串扰影响程度较轻时，通过减少栅极阻抗的方式抑制串扰，该方法简单且成本低；当串扰影响程度较严重时，如减少栅极阻抗未能有效抑制串扰问题，可采用有源米勒箝位(AMC)技术，限制栅源极电压串扰波形幅值；在串扰特别严重工况下，上述两种方法有可能失效，则可增加栅源电压模拟检测电路，结合三级关断驱动技术应对串扰问题。1原理分析1.1 测量探头对比分析串扰现象客

11、观存在，而测量误差会对串扰问题研究造成严重的干扰影响。为保证测量电路参数波形的准确性，本文对测量使用的差分探头进行分析，通过对比实测数据，有效减小测量误差。半桥电路中SiCMOSFET模块的漏源极电压Vds和栅源极电压Vgs均采用高压差分探头14测量，被测信号经过差分信号端电感、衰减器、缓冲器、差分放大器和无损传输线等环节，连接到示波器，如图1所示。SiCMOSFET模块在高频高压下工作时，测试电压探头需考虑带宽、共模抑制比等参数。探头带宽是指探头测量输出波形幅值下降到被测波形正弦波幅值70.7%(-3dB=201g0.707)的频率，即当被测正弦波的频率等于示波器带宽时，幅值测量误差大约为3

12、0%。对于漏源极电压Vds和栅源极电压Vgs,30%测量误差过大无法准确分析串扰问题。因此，探头带宽需远大于被测波形的频率，带宽越大，则能测到更宽的高频谐波，越接近真实波形。同时差分探头线选择较短的双绞线、使线路等效电感1.l+和1.l-尽量小。探头线衰或器状冲21差分放大;B无报传统示被器共模抑制比Kcmrr是指差分探头在测量中抑制两个测试点共模信号的能力。共模信号即对地干扰信号，因此探头的差分放大电路抑制共模信号的能力越强，测量波形越接近真实值，其公式为KCmIT=IAdAC|,其中Ad为差分信号的电压增益，AC为共模信号的电压增益。Ad值越大说明差分信号增益越大，共模信号相对越小，测量值

13、越接近真实波形。数字示波器组成如图2所示，进入示波器15的信号，经过信号调理电路、采集控制电路和信号处理等环节，最后显示为波形。测试高频高压下的信号，需考虑示波器的带宽、采样率、存储深度等参数影响。与差分探头一样，示波器带宽不够，也无法捕获准确的电压波形。示波器将采集到的波形存储到内存区进行计算和处理，内存区容量即存储深度为固定值。示波器每帧波形的时间长度是人为调节设定的，当时间长度设定后，采样率为存储深度与时间长度的比值。测量SiCMoSFET模块瞬态高频高压信号时，采样率尽可能高才能确保测试准确，因此，每帧波形的时间长度不能设定太大，存储深度过小都会导致采样率降低，引起较大测量误差。M2数

14、字不3身成厨用常用的3种探头有：高压差分探头P5200A,高压差分探头BUMB1.EBEE-PS02和光隔探头，对3种探头的参数进行对比分析，如表1所示。由表I可知，光隔探头TlVPl的带宽和共模抑制比参数性能远大于高压差分探头P5200A和BUMB1.EBEE-PS02o表I3种探头叁数Table!Parametersofthreetypesofprbc探头量号带宽/MHz共模抑制比电飨氏度tn直遍80dB高布差分建头P52OOA100k出：60dB(Tck-50MHz)32MHz：3OdBlo50MHz：26dB高限差分獴去江直：80dBlOOkHx：70dBBlmblebee-Psoz4

15、002.0IMliz：62dB(PMKTOOMHZ)32MHz：50dB免探头TlVPl宜*160dBI(XM)200MHz：Io(JdHXO628i22(AM小楼IX电扁(M*MOlXJKiIHtmMiJ*3结语针对SiCMOSFET模块应用中出现的串扰问题，本文对测量使用的差分探头进行了详细对比，由结果可知采用高带宽和高采样率的示波器和差分探头可测量得到准确的信号波形。同时分析了串扰问题的产生机制，正dVdsdt在反向传输电容上产生流向驱动侧的位移电流，在栅极阻抗引起正向感应电压，叠加在栅源极上会引起栅源极电压抬升；而负dVdsdt在反向传输电容上产生流向模块侧的位移电流,在栅极阻抗引起负

16、向感应电压,造成栅源极出现过大的电压负向峰值。为解决串扰问题，本文提出了3种有效应用对策：减小栅极引线阻抗，从而减小阻抗上的感应压降，抑制栅源极过压；采用有源米勒箝位技术，泄放位移电流，有效保护SiCMOSFET模块；通过三级关断串扰抑制技术改善栅极驱动波形，有效抑制过大的电压正向抬升和负向电压。开关转换期间，由于漏极-源极电压快速上升，MOSFET的寄生电容会导致栅极电压尖峰，如果超过阈值，可能会导致误导通。与SiMOSFET相比，SiCMOSFET的阈值电压较低，因此更容易出现误触发。例如，SiMOSFET的典型阈值电压的值为4V,而SiCMOSFET的值仅为2.1V。半桥开关的详细原理图

17、，包括SiCMoSFET的寄生参数的结构如图1所示。驱动电压VGH和VG1.分别控制高侧SH和低侧Slmosfet的开关状态。此外,RG1.和RG1.(in)分别是低侧M0SFETS1.的外部和内部栅极电阻,而CGS1.CDG1.和CDS1.其分别为寄生栅极.源极、漏极-栅极和漏极-源极电容。图1基于SiCMOSFET的半桥开关的带寄生参数等效电路假设S1.开始处于截止状态，并且MOSFETSH导通，如图所示图2说明了杂散栅极电压尖峰的产生机制。在时间tl,VGSH穿过阈值电压VTH,允许低侧MOSFET的VDS1.的漏极-源极电压突然上升，通过寄生电容CDG1.产生电流iDG1.。此充电电流

18、iDG1.进一步分别流经寄生电容CGS1.和栅极电阻RG1.(in)和RG1.,表示为iGS1.和iG1.o电流iG1.在栅极电压VGS1.中引入尖峰，峰值由RG1.、CGS1.和CDG1.确定。因此，如果产生的电压尖峰超过阈值电压VTH,低侧MOSFET会发生误导通。图2高侧MOSFET导通转换期间的电压尖峰图示减少iG1.的一种可能方法是添加外部栅源电容，这不仅可以分流iDG1.,还可以用于抑制杂散电感和栅源电容CGS1.引起的谐振。然而，外部栅源电容增加了栅极电压的上升时间，从而导致增加开关损耗，另外，有些时候外部电容取值不当，也可以造成栅源振荡。文献提出可以采用栅极电压电平移位的串扰抑制方法，使用不需要专用负电压源和电压反馈的栅极驱动器,而仅使用无源元件即可实现,有机会再详细讨论。参考文献：SuppressionofSwitchingCrosstalkandVbltageOscillationsinaSiCMOSFETBasedHalf-BridgeConverter