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前言

大家好，我們都知道功率半導體器件屬于電力電子開關，開關速度非常快，1秒可以開關上千次（kHz），高速功率器件可達到幾十kHz，甚至上百kHz。開關速度越快意味著器件的電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt也就越大。影響dv/dt和di/dt的主要因素是器件材料，其次是器件的電壓、電流、溫度以及驅動特性。為了加深大家對高速功率半導體器件的理解，今天我們以SiC和GaN為例來聊一下這個話題，看看高速功率器件的dv/dt和di/dt到底有多大？

開關暫態(tài)參數定義

首先，讓我們先來看一下SiC MOSFET開關暫態(tài)的幾個關鍵參數，圖片來源于Cree官網SiC MOS功率模塊的datasheet。開通暫態(tài)的幾個關鍵參數包括：開通時間ton、開通延遲時間td(on)、開通電流上升率di/dton、開通電壓下降率dv/dton，電流上升時間tr，如下圖所示：

關斷暫態(tài)的幾個關鍵參數包括：關斷時間toff、關斷延遲時間td(off)、關斷電流下降率di/dtoff、關斷電壓上升率dv/dtoff，以及電流下降時間tf，如下圖所示：

本期我們重點聊一下開關暫態(tài)的電壓、電流變化率，其它參數不做分析。通過以上器件開關曲線我們可以得到兩個主要信息：①SiC MOS開關暫態(tài)上升時間tr、下降時間tf主要是指電流，為什么沒有給出電壓的上升和下降時間，老耿也不太清楚，有可能是因為兩者都是一個數量級，畢竟這個參數意義也不大，主要用來形容器件速度有多快，有其它見解的小伙伴可以告訴我；②SiC MOS開關暫態(tài)電壓、電流變化率的選取時間是電流和電壓幅值的40%-60%，這個相對好理解，主要是因為器件開關暫態(tài)是非線性的，選擇變化率最大的一段最能說明問題。

dv/dt，di/dt量化分析

了解了SiC MOS的開關暫態(tài)參數定義后，讓我們看看SiC MOS的dv/dt和di/dt到底有多大？下面以Cree公司的1200V 300A 模塊為例進行介紹，器件型號為CAS300M12BM2，模塊實物圖和內部電路如下圖：

下圖為25℃的室溫下，SiC MOS在600V母線電壓和300A電流下dv/dt、di/dt與柵極電阻的關系曲線，可以看出隨著器件柵極電阻的增大，其開關暫態(tài)的di/dt和dv/dt都會減小，這個也比較好理解，柵極電阻增大，器件的開關速度就會減小。

這里有個知識點需要大家記住，MOS器件門極是直接可以控制電流變化率的，而對于IGBT 門極電阻對關斷電流變化率的影響卻很有限，具體機理可以參考老耿以前的文章：

IGBT關斷過程是怎樣的？(第一講)

在這里我們假設器件的柵極電阻為2歐姆，那SiC MOS開通暫態(tài)下的dv/dton和di/dton分別為：17.5V/ns和9A/ns，而關斷暫態(tài)下的dv/dtoff和di/dtoff分別為12V/ns和12A/ns，對于這個數值有些小伙伴可能沒有太直觀的概念，后面我們會和其它弱電信號對比一下，就比較清楚了。

讓我們再看看更快速的GaN-HEMT（GalliumNitride,HighElectronMobilityTransistor，氮化鎵-高電子遷移率晶體管），直接上圖對比：

與同等導通電阻下與SiC MOS相比，GaN的開通速度快~4倍，關斷速度快~2倍，下圖為GaN在450V/30A下的關斷測試波形，關斷電壓dv/dt已經達100V/ns，這里沒有查到di/dt相關數據（GaN電流測量是個問題），速度肯定也會比sic更快。

感興趣的小伙伴可以去看一下IGBT的手冊，IGBT的dv/dt和di/dt都是按us來計算的，而SiC和GaN如果還按照us來算的話，那GaN的關斷dv/dt可達100000V/us，而SiC MOS模塊的關斷di/dt可達12000A/us，這個數據就很大了，想想1us就撬動上萬安培的電流和上萬伏特的電壓是不是不可思議?

不過回過頭來，再仔細想想這句話“1us可以撬動上萬安培的電流和上萬伏特的電壓”是個偽命題，事實上GaN和SiC是不可能在1us內改變上萬V的電壓和上萬A的電流的，還要靠IGBT、IGCT、IEGT、SCR這幾個老大哥，不過已經見過不少學術論文研究10kV以上的的SiC功率器件了（電流很?。谶@里老耿只想強調GaN和SiC器件的dv/dt和di/dt非常大，大家不要被帶偏了！如果把這么快的邊沿比作一把利劍，那肯定會削鐵如泥、吹毛斷發(fā)。

為了更好的理解功率器件的高速開關暫態(tài)，讓我們再和弱電信號對比一下。大家對電力電子中應用最多的DSP都比較熟悉，那就讓我們看看DSP GPIO數輸出邊沿跳變時間，下圖為TM320F28335 GPIO的上升沿和下降沿時間：

可以看出DSP普通IO的上升沿和下降沿最大也就8ns，這個時間已經很短了，但是信號的電平也很小，只有3.3V 。這樣算下來GPIO的dv/dt大概在0.41V/ns。沒對比就沒有傷害，原來功率器件的dv/dt速度都超過DSP GPIO輸出電平的跳變速度了。

可能有小伙伴會有疑問，上面的只是DSP起家普通IO的速度，并不具代表性，然后老耿又查閱了一些資料，下面為TTL、CMOS、LVDS和ECL常用的數字邏輯電平的邊沿跳變時間，可以看出最快的可達100ps，帶寬已經到了3.5GH。然而隨著信號速度的提升，電平的幅值都會減小，而且大部分都采用差分信號，例如ECL電平擺幅卻只有0.8V，這樣算下來電平的dv/dt只有8V/ns，這樣和最快的功率器件對比還是有一點差距。

當然還有老耿不知道的高速信號，感興趣的小伙伴可以自己去找找。

dv/dt，di/dt負面影響？

由于dv/dt和di/dt過高的開關速度，電路的中的寄生參數總算可以體現自己的“價值”了。以SiC MOS關斷暫態(tài)的dv/dt和di/dt為例，12A/ns的di/dt在1nH的雜感就會產生12V的壓降，12V/ns在1pF的電容就會產生12mA的電流，而事實上功率主回中的寄生參數可能會遠大于1nH和1pF。由于這些寄生參數的存在，電流就會肆無忌憚的在電路中任意流動，即使是隔離電路對他們束手無策，因為大部分隔離變壓器要做到幾個pF的寄生電容也不太容易，所以說高速功率器件的應用對功率回路的設計提出了新的挑戰(zhàn)。