SiC功率元件｜應用篇

汲極和源極之間產生的突波

2023.12.27

重點

・汲極和源極間的突波是由各種電感分量和MOSFET寄生電容的諧振引起的。

・要做到配線的電感達到最小化的LAYOUT在現實中往往難以實現, 此時，盡可能在開關元件的附近配備緩衝電路來降低線路電感，這是非常重要的。

首先，為您介紹SiC MOSFET功率轉換電路中，發生在汲極和源極之間的突波

  • ・汲極和源極之間產生的突波
  • ・Snubber電路的種類和選擇
  • ・C Snubber電路的設計
  • ・RC Snubber電路的設計
  • ・放電型RCD Snubber電路的設計
  • ・非放電型RCD Snubber電路的設計
  • ・封裝引起的突波差異

SiC MOSFET的汲極和源極之間產生的突波

開關導通時，走線和電路板Layout產生的電感之中會直接積蓄電能（電流能量）。當該能量與開關元件的寄生電容發生諧振時，就會在汲極和源極之間產生突波。下面將利用圖1來說明發生突波時的振鈴電流的路徑。這是一個橋式結構，在High Side（以下簡稱HS）和Low Side（以下簡稱LS）之間連接了一個開關元件，該圖是LS導通，電路中存在開關電流IMAIN的情形。通常，該IMAIN從VSW流入，透過線路電感LMAIN流動。

接下來，LS關斷時，流向LMAIN的IMAIN一般是透過連在輸入電源HVdc和PGND之間的大容量電容CDCLINK，經由HS和LS的寄生電容，按照虛線所示路徑流動。此時，在LS的汲極和源極之間，LMAIN和SiC MOSFET的寄生電容COSS（CDS+CDG）就會產生諧振現象，汲極和源極之間就會產生突波。如果用VHVDC表示外加在HVdc引腳的電壓，用ROFF表示MOSFET關斷時的電阻，則該突波的最大值VDS_SURGE可以用下述公式表示（*1）。

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 )

圖2是使用SiC MOSFET SCT2080KE進行測試時關斷時的突波波形。當給HVdc外加800V的電壓時，可以算出VDS_SURGE為961V，振鈴頻率約為33MHz。利用公式（1），根據該波形，可以算出LMAIN約為110nH。

再接下來，增加一個圖3所示的緩衝電路CSNB，實質性地去掉LMAIN後，其關斷突波的波形如圖4所示。

可以看到，增加該CSNB之後，突波電壓降低50V以上（約901V），振鈴頻率也變得更高，達到44.6MHz，而且包括CSNB在內，整個電路中的LMAIN變得更小。

同樣，利用公式（1）計算LMAIN，其結果由原來的110nH左右降低至71nH左右。原本，最好是在進行Layout設計時，將走線電感控制在最低水準。但是，在實際設計過程中，往往會優先考慮元件的散熱設計，所以線路並不一定能夠按照理想進行設計。

在這種情況下，其對策方案之一就是盡可能在開關元件附近配置緩衝電路，使之形成旁路電路。這樣既可以將線路電感這一引發突波的根源降至最低，還可以吸收已經降至最低的線路電感中積蓄的能量。然後，透過對開關元件的電壓進行鉗制，就可以降低關斷突波。

*1：“開關轉換器基礎”P95-P107，P95～P107 作者：原田耕介、二宮保、顧文建，出版社：CORONA PUBLISHING CO., LTD. 1992年2月

【下載資料】 SiC功率元件基礎

介紹SiC的物理性質和優點，並透過與Si元件的比較，介紹SiC蕭特基二極體和SiC MOSFET的特點及使用方法上的不同，還介紹了集多重優點於一身的全SiC模組。

汲極和源極之間產生的突波
下載

    SiC功率元件

    基礎篇

    應用篇

    產品介紹

    FAQ