寄生電感對SiC MOSFET開關振蕩的影響及其抑制

伍理勛，韓 洋，陸海峰，陳 磊

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.清華大學電機工程與應用電子系，北京 100084）

SiC器件具有高結溫、高阻斷電壓、高熱導、低損耗等特點［1-3］，在高頻高功率密度應用方面具有Si基器件無可比擬的優勢，有望取代Si IGBT在電動汽車電機驅動等領域的應用。但由于SiC器件開關速度更快，開關暫態的振蕩會比Si基器件嚴重很多，振蕩會帶來開關損耗增加、EMI、可靠性等問題，因此研究寄生參數對于SiC MOSFET開關振蕩的影響非常重要。

1 SiC MOSFET雙脈沖模型搭建

雙脈沖平臺一般用于功率器件開關特性和驅動電路的驅動效果研究和驗證。典型的雙脈沖測試電路的寄生參數分布如圖1所示，Rext是外部驅動電阻，Rint是內部驅動電阻，Rint可通過SiC MOSFET的數據手冊（datasheet）查得，本仿真平臺使用的是CREE公司生產的1 200 V、20 A的SiC MOSFET模型，Rint=4.6 Ω，驅動電阻Rg=Rext+ Rint；Lg1、Ld1和Ls1是封裝帶來的寄生電感；Lg2和Lg3分別是驅動電路連接柵極、源極的寄生電感；Ls2是MOSFET外部共源極寄生電感；Ld2是MOSFET外部漏極寄生電感；Lpcb1和Lpcb2是功率回路PCB走線的寄生電感，同時Lpcb1還包含直流母線電容的等效串聯電感；L是負載電感；Cgs、Cgd、Cds是MOSFET柵源極、柵漏極、漏源極寄生電容；Cp是二極管結電容和負載電感L并聯電容的和。

圖1 典型的雙脈沖測試電路的寄生參數分布

根據功率環和驅動環寄生電感作用的不同，可以把寄生電感分為3類：柵極寄生電感Lg、漏極寄生電感Ld、共源極寄生電感Ls。其中柵極寄生電感Lg=Lg1+Lg2+Lg3；漏極寄生電感Ld=Ld1+Ld2+Lpcb1+Lpcb2；共源極寄生電感Ls=Ls1+Ls2。簡化后的雙脈沖測試電路寄生參數分布如圖2所示。

利用CREE官網的C2M0080120D仿真模型搭建LTSpice的雙脈沖測試平臺，模型拓撲結構如圖2所示，其中直流母線電壓UDC=200 V，電容Cp=5 pF，負載電感L=150 μH，外部驅動電阻Rext=10 Ω，分別討論Lg、Ld、Ls對MOSFET開關振蕩的影響。

圖2 簡化后雙脈沖測試電路的寄生參數分布

2 寄生電感對SiC MOSFET開關振蕩的影響

2.1 Lg的影響

控制Ld和Ls不變且足夠小，改變Lg的值，得到的仿真結果如圖3所示。

從仿真結果可以看出，Lg會對Ugs的振蕩有略微的影響，但對Uds和Id的振蕩幾乎無影響，因此只要將Lg保持在一定值范圍內，對于開關速度和開關振蕩都無影響。Lg的值不宜過大，防止驅動電壓Ugs振蕩過于嚴重導致的誤導通或者超過MOSFET允許的Ugs值而造成的器件損壞。

2.2 Ld的影響

控制Lg和Ls不變且足夠小，改變Ld的值，得到的仿真結果如圖4所示。

從仿真結果可以看出，Ld對Ugs、Uds、Id的振蕩影響非常嚴重，說明漏極寄生電感Ld與寄生電容Cp和MOSFET輸出電容Coss（Coss=Cgd+Cds）發生強烈的振蕩，同時斷開的振蕩比接通時候的振蕩小很多，主要原因是因為斷開的時間往往比接通時間更長，斷開速度更慢。因此設計變頻器時，一定要注意Ld的值，盡可能合理地走線和布局，減小漏極寄生電感Ld。

2.3 Ls的影響

控制Lg和Ld不變且足夠小，改變Ls的值，得到的仿真結果如圖5所示。

共源寄生電感Ls既屬于功率回路的組成成分，也是驅動電路的一部分，因此在SiC MOSFET漏極電流快速變化的時候，共源寄生電感Ls會感應出一個電驅動電路起“負反饋”的作用，導致SiC MOSFET的開關速度變慢，導致di/dt減小，電壓Uds下降時間延遲，增加了SiC MOSFET的開關損耗，沒有充分發揮SiC器件的性能，因此往往在設計的時候都會盡可能減小共源寄生電感Ls，如利用開爾文連接等方式，所以在仿真模型中，把共源電感Ls控制在一個較小值范圍內。從圖5也可以看出，Ls主要是影響SiC MOSFET的開關速度，而對SiC器件的開關振蕩影響也不明顯，只有對Ugs的振蕩有一些影響，主要是由于Ls對主電路電流變化did/dt有反饋作用，同時Ls也屬于驅動回路的組成成分，起著類似Lg的作用。

3 結論與抑制措施

通過仿真結果的驗證，影響SiC MOSFET的開關振蕩的寄生電感主要是漏極寄生電感Ld，而共源極寄生電感Ls主要對驅動電路起負反饋的作用，影響開關速度，柵極寄生電感Lg只對驅動電壓Ugs的振蕩有一定的影響，但只要控制在一定值內，Lg對功率環基本無影響。因此在用SiC MOSFET作為變頻器功率開關器件時，PCB的設計非常重要，要注意盡可能減小漏極寄生電感Ld和共源寄生電感Ls，特別是在高頻的應用場合。

圖3 Lg對SiC MOSFET開關振蕩的影響

抑制SiC MOSFET的開關振蕩的方式主要有2種：激勵源抑制，SiC MOSFET的開關振蕩是由于SiC基器件開關速度更快，引起寄生參數振蕩，類似文獻［4］提出的方法；主回路系統抑制，從SiC MOSFET開關振蕩波形看，類似于一個二階RLC欠阻尼振蕩，一方面是盡可能減小寄生電感，另一方面，在寄生電感很難繼續減小而振蕩依舊比較嚴重的時候可以增加緩沖電路，類似文獻［5］的方法，如加入一個RC電路，增加整個系統的阻尼達到抑制開關振蕩的效果。

圖4 Ld對SiC MOSFET開關振蕩的影響

圖5 Ls對SiC MOSFET開關振蕩的影響