仿真看世界之SiC MOSFET單管的并聯(lián)均流特性

開(kāi)篇前言

關(guān)于SiC MOSFET的并聯(lián)問(wèn)題，英飛凌已陸續(xù)推出了很多技術(shù)資料，幫助大家更好的理解與應(yīng)用。此文章將借助器件SPICE模型與Simetrix仿真環(huán)境，分析SiC MOSFET單管在并聯(lián)條件下的均流特性。

特別提醒

仿真無(wú)法替代實(shí)驗(yàn)，僅供參考。

1、選取仿真研究對(duì)象

SiC MOSFET

IMZ120R045M1(1200V/45mΩ)、TO247-4pin、兩并聯(lián)

Driver IC

1EDI40I12AF、單通道、磁隔離、驅(qū)動(dòng)電流±4A(min)

2、仿真電路Setup

如圖1所示，基于雙脈沖的思路，搭建雙管并聯(lián)的主回路和驅(qū)動(dòng)回路，并設(shè)置相關(guān)雜散參數(shù)，環(huán)境溫度為室溫。

外部主回路：直流源800Vdc、母線(xiàn)電容Capacitor(含寄生參數(shù))、母線(xiàn)電容與半橋電路之間的雜散電感Ldc_P和Ldc_N、雙脈沖電感Ls_DPT

并聯(lián)主回路：整體為半橋結(jié)構(gòu)，雙脈沖驅(qū)動(dòng)下橋SiC MOSFET，與上橋的SiC MOSFET Body Diode進(jìn)行換流。下橋?yàn)镼11和Q12兩顆IMZ120R045M1，經(jīng)過(guò)各自發(fā)射極(源極)電感Lex_Q11和Lex_Q12，以及各自集電極(漏極)電感Lcx_Q11和Lcx_Q12并聯(lián)到一起；同理上橋的Q21和Q22的并聯(lián)結(jié)構(gòu)也是類(lèi)似連接。

并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回路：基于TO247-4pin的開(kāi)爾文結(jié)構(gòu)，功率發(fā)射極與信號(hào)發(fā)射級(jí)可彼此解耦，再加上1EDI40I12AF這顆驅(qū)動(dòng)芯片已配備OUTP與OUTN管腳，所以每個(gè)單管的驅(qū)動(dòng)部分都有各自的Rgon、Rgoff和Rgee(發(fā)射極電阻)，進(jìn)行兩并聯(lián)后與驅(qū)動(dòng)IC的副邊相應(yīng)管腳連接。

驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置：通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)IC副邊電源和穩(wěn)壓電路，調(diào)整門(mén)級(jí)電壓Vgs=+15V/-3V，然后設(shè)置門(mén)極電阻Rgon=15Ω，Rgoff=5Ω，Rgee先近似設(shè)為0Ω(1pΩ)，外加單管門(mén)極與驅(qū)動(dòng)IC之間的PCB走線(xiàn)電感。

圖1 基于TO247-4Pin的SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖

3、并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流仿真

SiC MOSFET并聯(lián)的動(dòng)態(tài)均流與IGBT類(lèi)似，只是SiC MOSFET開(kāi)關(guān)速度更快，對(duì)一些并聯(lián)參數(shù)會(huì)更為敏感。如圖2所示，我們先分析下橋Q11和Q12在雙脈沖開(kāi)關(guān)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)均流特性及其影響因素：

圖2 下橋SiC雙管并聯(lián)的雙脈沖電路示意圖

3.1 器件外部功率源極電感Lex對(duì)并聯(lián)開(kāi)關(guān)特性的影響

設(shè)置Lex_Q11=5nH,Lex_Q12=10nH，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：

圖3 不同Lex電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

3.2 器件外部功率漏極電感Lcx對(duì)并聯(lián)開(kāi)關(guān)特性的影響

設(shè)置Lcx_Q11=5nH,Lcx_Q12=10nH，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：

圖4 不同Lcx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

3.3 器件外部門(mén)級(jí)電感Lgx對(duì)并聯(lián)開(kāi)關(guān)特性的影響

設(shè)置門(mén)級(jí)電感Lgx_Q11=20nH,Lgx_Q12=40nH，其中Rgon和Rgoff的門(mén)級(jí)電感都是Lgx，其他參數(shù)及仿真結(jié)果如下：

圖5 不同Lgx電感的并聯(lián)均流仿真結(jié)果

3.4器件外部源極環(huán)流電感Lgxe和環(huán)流電阻Rgee對(duì)并聯(lián)開(kāi)關(guān)特性的影響

在Lex電感不對(duì)稱(chēng)(不均流)的情況下，設(shè)置不同的源極抑制電感和電阻Lgxe=20nH,Rgee=1Ω和3Ω，看看對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)流的抑制與均流效果，其仿真結(jié)果如下：

圖6 加源極抑制電感和電阻之前(虛線(xiàn))和加之后(實(shí)線(xiàn))的均流特性變化

圖7 不同源極抑制電感和電阻(1Ω虛線(xiàn))和(3Ω實(shí)線(xiàn))的均流特性變化

4、總結(jié)

基于以上TO247-4pin的SiC MOSFET兩并聯(lián)的仿真條件與結(jié)果，我們可以得到如下一些初步的結(jié)論：

1、并聯(lián)單管的源極電感Lex差異，SiC MOSFET的開(kāi)通與關(guān)斷的均流對(duì)此非常敏感。因?yàn)椋礃O電感的差異也會(huì)耦合影響到驅(qū)動(dòng)回路，以進(jìn)一步影響均流。如下圖8所示，以關(guān)斷為例，由于源極電感Lex不同，造成源極環(huán)流和源極的電位差(VQ11_EE-VQ12_EE)，推高了Q11源極電壓VQ11_EE，間接降低了Q11門(mén)級(jí)與源極之間的電壓Vgs_Q11。

圖8 不同源極電感時(shí)，關(guān)斷時(shí)的源極環(huán)流與源極電位差

2、并聯(lián)單管的漏極電感Lcx差異，對(duì)均流影響的影響程度要明顯低與源極電感。因?yàn)槁O電感不會(huì)直接影響由輔助源極和功率源極構(gòu)成的源極環(huán)流回路。

3、門(mén)極電感差異對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響不明顯，而且驅(qū)動(dòng)電壓Vgs波形幾乎沒(méi)有變化。如果把主回路的總雜散電感減小，同時(shí)把門(mén)級(jí)電阻變小，讓SiC工作在更快的di/dt和dv/dt環(huán)境，此時(shí)門(mén)級(jí)電感對(duì)均流的影響可能會(huì)稍微明顯一點(diǎn)。

4、輔助源極電阻Rgee，對(duì)抑制源極環(huán)流和改善動(dòng)態(tài)均流的效果也不甚明顯。

在這里提出另一個(gè)問(wèn)題：既然Rgee對(duì)抑制源極環(huán)流效果一般，那如果給門(mén)極增加一點(diǎn)Cge電容呢？請(qǐng)看以下仿真：

圖9  增加1nF門(mén)級(jí)Cge電容對(duì)源極不均流特性的影響(虛線(xiàn)為無(wú)Cge，實(shí)線(xiàn)為有Cge)

由上述仿真可以看出，Cge電容對(duì)于關(guān)斷幾乎沒(méi)有影響，而Cge之于開(kāi)通只是以更慢的開(kāi)通速度，增加了Eon，同時(shí)減輕了開(kāi)通電流振蕩，但是對(duì)于開(kāi)通的均流差異和損耗差異，影響也不大。