漏极和源极之间产生的浪涌

本文的关键要点

・漏极和源极间的浪涌是由各种电感分量和MOSFET寄生电容的谐振引起的。

・在实际的版图设计中,很多情况下无法设计出可将线路电感降至最低的布局,此时,尽可能在开关器件的附近配备缓冲电路来降低线路电感,这是非常重要的。

首先,为您介绍SiC MOSFET功率转换电路中,发生在漏极和源极之间的浪涌。

SiC MOSFET的漏极和源极之间产生的浪涌

开关导通时,线路和电路板版图的电感之中会直接积蓄电能(电流能量)。当该能量与开关器件的寄生电容发生谐振时,就会在漏极和源极之间产生浪涌。下面将利用图1来说明发生浪涌时的振铃电流的路径。这是一个桥式结构,在High Side(以下简称HS)和Low Side(以下简称LS)之间连接了一个开关器件,该图是LS导通,电路中存在开关电流IMAIN的情形。通常,该IMAIN从VSW流入,通过线路电感LMAIN流动。

接下来,LS关断时,流向LMAIN的IMAIN一般是通过连在输入电源HVdc和PGND之间的大容量电容CDCLINK,经由HS和LS的寄生电容,按照虚线所示路径流动。此时,在LS的漏极和源极之间,LMAIN和SiC MOSFET的寄生电容COSS(CDS+CDG)就会产生谐振现象,漏极和源极之间就会产生浪涌。如果用VDS_SURGE表示施加在HVdc引脚的电压,用ROFF表示MOSFET关断时的电阻,则该浪涌的最大值VHVDC可以用下述公式表示(*1)。

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V_(DS_SURGE)=(V_A∙e^(-(a/ω)[tan^(-1)⁡〖(a/ω)+ϕ〗 ] ))/(1+(a/ω)^2 )+V_HVDC

但是,

V_A=√(〖V_HVDC〗^2+(a/ω)^2∙(2∙R_OFF∙I_MAIN-V_HVDC )^2 )ϕ=tan^(-1)⁡〖V_HVDC/((a/ω)∙(2∙R_OFF∙I_MAIN-V_HVDC ) )〗a=1/(2∙R_OFF∙C_OSS )ω_SURGE=1/√(L_MAIN∙C_OSS )∙√(1-(√(L_MAIN/C_OSS )/〖2R〗_OFF )^2 )

图2是使用SiC MOSFETSCT2080KE进行测试时关断时的浪涌波形。当给HVdc施加800V的电压时,可以算出VDS_SURGE为961V,振铃频率约为33MHz。利用公式(1),根据该波形,可以算出LMAIN约为110nH。

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再接下来,增加一个图3所示的缓冲电路CSNB,实质性地去掉LMAIN后,其关断浪涌的波形如图4所示。

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可以看到,增加该CSNB之后,浪涌电压降低50V以上(约901V),振铃频率也变得更高,达到44.6MHz,而且包括CSNB在内,整个电路中的LMAIN变得更小。

同样,利用公式(1)计算LMAIN,其结果由原来的110nH左右降低至71nH左右。原本,最好是在进行版图设计时,将线路电感控制在最低水平。但是,在实际设计过程中,往往会优先考虑器件的散热设计,所以线路并不一定能够按照理想进行设计。

在这种情况下,其对策方案之一就是尽可能在开关器件附近配置缓冲电路,使之形成旁路电路。这样既可以将线路电感这一引发浪涌的根源降至最低,还可以吸收已经降至最低的线路电感中积蓄的能量。然后,通过对开关器件的电压进行钳制,就可以降低关断浪涌。

*1:“开关转换器基础”P95-P107,P95~P107 作者:原田耕介、二宫保、顾文建,出版社:CORONA PUBLISHING CO., LTD. 1992年2月

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