探討1,200-V 300-A SiC MOSFET對開關(guān)頻率的影響

由于快速的開關(guān)，傳導(dǎo)損耗和擊穿電壓的增加，在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中增加了SiC MOSFET的使用。通過最快速的開關(guān)速度和更高的頻率賦能，該框架減小了尺寸并提高了系統(tǒng)效率。大功率SIC MOSFET模塊是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中Si IGBT的可接受替代品。dV / dt較高會(huì)在逆變器和電動(dòng)機(jī)彼此遠(yuǎn)離的情況下由于反射波而給電動(dòng)機(jī)繞組保護(hù)帶來額外的負(fù)載，這在大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中非常常見。1由于切換速度更快，即使使用短電纜，在不同應(yīng)用中也需要dV / dt濾波器?？梢詾镾iC MOSFET精確設(shè)計(jì)輸出濾波器。2個(gè)IGBT開關(guān)的性能隨電流水平而變化。相比較而言，電纜的長度對開關(guān)裝置3的影響很大。SiC MOSFET表現(xiàn)出對電流狀態(tài)的更高依賴性，并且隨著長度變化而擴(kuò)大了變化范圍。為了獲得更高的開關(guān)頻率，應(yīng)簡化連續(xù)導(dǎo)通和截止相臂之間的控制死區(qū)時(shí)間（T d），以在控制性能和模塊保護(hù)之間保持最佳平衡。4尚未充分探討電纜長度和輸出濾波器對SiC MOSFET的開關(guān)性能以及以Si IGBT性能為基準(zhǔn)的影響。4在簡單的工程中修改控制死區(qū)時(shí)間的能力至關(guān)重要。在用于控制新一代設(shè)計(jì)的不同設(shè)置情況下，SiC MOSFET的性能會(huì)發(fā)生變化。電纜和dV / dt濾波器的影響很長，很難重新制定，因?yàn)榧纳透鞣N框架布置具有多方面的性質(zhì)。本文將討論1，200-V 300-A SiC MOSFET的性能，以及通過不同的變量（例如電纜長度，停滯時(shí)間和輸出濾波器）對其開關(guān)頻率的影響。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖1顯示了測試設(shè)置的電路圖。雙脈沖測試（DPT）用于檢查當(dāng)前水平下的開關(guān)性能。整個(gè)評估過程中使用了無法區(qū)分的入口驅(qū)動(dòng)電路。使用500 VDC總線電源，并利用9，200 μF的電解頂庫來保持傳輸電壓。覆蓋的傳輸條有助于將圓形寄生電感最小化。

負(fù)載電流水平會(huì)影響IGBT和MOSFET的速度。開關(guān)是通過對柵極進(jìn)行充電和釋放來實(shí)現(xiàn)的，該柵極依賴于柵極驅(qū)動(dòng)電路和環(huán)路電流。在中等或重負(fù)載的情況下，MOSFET的開關(guān)速度僅取決于柵極驅(qū)動(dòng)電路。5另一方面，在小負(fù)載的情況下，來自電源環(huán)路的柵極充電或放電電流將變?yōu)榻^對值，以確定開關(guān)速度。

圖1：電路圖

從不同變量切換的影響

負(fù)載電流

負(fù)載電流的變化對兩個(gè)模塊的開關(guān)性能顯示出不同的影響。在導(dǎo)通過程中，對電流的開關(guān)速度依賴性可以忽略不計(jì)，尤其是對于MOSFET，因?yàn)樵趯?dǎo)通過程中它僅下降16％，而在關(guān)斷過程中上升到468％。在高負(fù)載電流時(shí)，這兩個(gè)MOSFET和IGBT示出幾乎相同的開關(guān)行為，而在低負(fù)載電流時(shí)，T斷示出了巨大的變化，這是在MOSFET的情況下468％，在IGBT的情況下109％。4現(xiàn)在知道，T off對負(fù)載電流的依賴大于T on。本文的其余部分僅關(guān)注各種輸出排列方案下的T off變化

2.電纜長度

由于延長了充電和放電持續(xù)時(shí)間，長距離電纜會(huì)增加開關(guān)時(shí)間。當(dāng)電纜長度在低電流下增加時(shí)，MOSFET T off會(huì)增加。當(dāng)我們降低電流時(shí)，電纜的減速效果會(huì)更高。相比之下，IGBT在嘗試的電流范圍內(nèi)顯示出相同的模式。但是，在高電流下，與MOSFET相比，T off表示對電纜長度變化的依賴性更高。延長的電纜長度會(huì)在釋放路徑中增加阻抗，并增加了T off在低電流下對電纜長度的依賴?？杀痊F(xiàn)象應(yīng)在T on也一樣 另一個(gè)看法是，與短時(shí)和長時(shí)應(yīng)用的IGBT相比，高電流下MOSFET的高開關(guān)速度優(yōu)勢是顯而易見的。

圖2：開關(guān)電路設(shè)置

3.死區(qū)時(shí)間優(yōu)化

在現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)計(jì)基于SiC MOSFET的逆變器時(shí)，短路和保護(hù)的檢測是另一個(gè)重要主題，尤其是在從現(xiàn)有的基于IGBT的Si計(jì)劃轉(zhuǎn)變的過程中。與具有8至10 μs的短路耐受時(shí)間的IGBT相比，SiC MOSFET通常具有2 μs以下的耐受時(shí)間。6在擊穿之前，SiC MOSFET通?？梢猿惺芨叩碾娏?，但是其長期可靠性會(huì)變差。

死區(qū)時(shí)間d d是避免橋穿通的有效策略。對于IGBT，空載時(shí)間通常在1至5 μs范圍內(nèi)，開關(guān)頻率為1 kHz至10 kHz。在較低電流下，較慢的關(guān)斷（0.4 μs）時(shí)間不會(huì)引起短路風(fēng)險(xiǎn)。對于SiC MOSFET，開關(guān)頻率落在10至50kHz的范圍內(nèi)，空載時(shí)間低于1 μs，以實(shí)現(xiàn)出色的控制性能。低電流下較慢的關(guān)斷會(huì)引起短路危險(xiǎn)。

空載時(shí)間應(yīng)根據(jù)負(fù)載曲線和輸出設(shè)置精確平衡?；谀Ｐ偷乃绤^(qū)時(shí)間優(yōu)化5需要更多的硬件推測。此外，由于快速切換帶來的噪聲耦合，難以精確估計(jì)來自柵極驅(qū)動(dòng)電路的低壓信號(hào)。

至于輸出電纜的效果，情況取決于組件，例如電纜長度，沿這些線的輸出濾波器電容，將它們組合成一種布置并不容易。給定檢查結(jié)果，甚至可以得出一些一般準(zhǔn)則。電纜長度在影響使用輸出濾波器的時(shí)間中起著無關(guān)緊要的作用。在大電流情況下，較長的電纜不會(huì)影響開關(guān)頻率，但會(huì)影響小電流操作。電纜規(guī)格的大小或長度可用作死區(qū)時(shí)間優(yōu)化目的的控制輸入。4

結(jié)論

進(jìn)行了硬件系統(tǒng)測試，以仔細(xì)檢查負(fù)載電流和電纜長度對SiC MOSFET的影響，并且由于合并輸出排列增量模型的復(fù)雜性，Si IGBT關(guān)閉了該過程。與Si IGBT相比，SiC MOSFET的關(guān)斷時(shí)間對隨機(jī)流和輸出設(shè)計(jì)的影響更大。在高電流，電纜長度和濾波器等不同因素的影響下，該設(shè)備的關(guān)斷變量無關(guān)緊要。長電纜會(huì)降低低電流下的開關(guān)速度。為了補(bǔ)償關(guān)斷時(shí)間的變化并避免發(fā)生短路以獲得良好的控制性能，使用了指數(shù)函數(shù)模型根據(jù)負(fù)載電流來驅(qū)動(dòng)T off，從而可以優(yōu)化T d。，不需要額外的硬件安裝。

參考

1 MJ Scott，J。Brockman，B。Hu，L。Fu，L。Xu，J。Wang和RD Zamora，“使用寬帶隙器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的反射波現(xiàn)象”，在2014年IEEE寬帶隙功率研討會(huì)上設(shè)備和應(yīng)用，第164–168頁，IEEE，2014年。

2 R. Ruffo，P。Guglielmi和EG Armando，“用于降低SiC中電機(jī)過壓的逆變器側(cè)RL濾波器的精確設(shè)計(jì)。

3 L. Middelstaedt，D。Richter，A。Lindemann和A.Wintrich，“負(fù)載電纜配置對IGBT開關(guān)特性的影響”，在PCIM Europe 2016上；國際電力電子展覽會(huì)和會(huì)議，智能運(yùn)動(dòng)，可再生能源和能源管理，pp.1-8，VDE，2016年。

4 1200V 300A SiC MOSFET開關(guān)性能的表征取決于負(fù)載電纜-輸出濾波器和控制死區(qū)時(shí)間優(yōu)化于玉佳，Willy Sedano，Peizhong Yi，Lixiang Wei標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)部，羅克韋爾自動(dòng)化6400 West Enterprise Drive，Mequon，美國威斯康星州53092。

5 Z. Zhang，H。Lu，DJ Costinett，F(xiàn)。Wang，LM Tolbert和BJ Blalock，“利用碳化硅半導(dǎo)體的電壓源轉(zhuǎn)換器的基于模型的空載時(shí)間優(yōu)化”，《電力電子IEEE期刊》，第1卷。32號(hào) 11，第8833–8844頁，2016年。

6 S. Ji，M。Laitinen，X。Huang，J。Sun，W。Giewont，F(xiàn)。Wang和LM Tolbert，“ 10 kV SiC mosfet的短路特性和保護(hù)”，《 IEEE功率電子學(xué)報(bào)》，卷 34號(hào) 2，第1755–1764頁，2018年。

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