理想半導(dǎo)體開關(guān)的挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]在最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)中，開關(guān)速度是最顯眼的屬性，但是在實際電路中，高邊緣速率會造成獨有的問題。本博客將講解這個問題和簡單的解決方法。
在最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)中，開關(guān)速度是最顯眼的屬性，但是在實際電路中，高邊緣速率會造成獨有的問題。本博客將講解這個問題和簡單的解決方法。
自從IBM于1958年設(shè)計了第一個管以“開關(guān)模式供電”后，功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計師們就一直夢想擁有沒有導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗的理想開關(guān)。當(dāng)然，所有開關(guān)技術(shù)都降低了開態(tài)損耗，而且借助最新的寬帶隙半導(dǎo)體，750V額定值的器件現(xiàn)在可以將電阻降低到6毫歐以下。這些技術(shù)尚未達(dá)到物理極限，因此預(yù)計該值還可進(jìn)一步降低。在當(dāng)今的高性能功率設(shè)計中，邊緣速率（V/ns）有所升高，從而降低了開關(guān)損耗，因而可以實現(xiàn)更高的頻率、更小的磁性元件和更高的功率密度。然而，這些快速邊緣速率提高了造成電磁干擾設(shè)計相關(guān)問題的可能性，這些問題會與電路寄生效應(yīng)交互，還會造成不想要的振蕩和電壓尖峰。借助良好的設(shè)計實踐，這些問題可以使用小緩沖電路解決。
實際電路中的高電流邊緣速率會導(dǎo)致電壓尖峰和振鈴
那么，這個問題有多嚴(yán)重呢？如果我們看到速率達(dá)到3000A/μs，也就是典型的碳化硅開關(guān)值，那么根據(jù)熟悉的E=-Ldi/dt公式，僅100nH連接電感或漏電電感就會產(chǎn)生300V尖峰電壓。100nH僅僅是幾英寸PCB印制線的電感或者變壓器漏電電感的真實值，因此，這種情況就是通常是會看到的真實情況，而且可能需要一個好示波器才能看到整個電壓瞬態(tài)。不過該開關(guān)在看到瞬態(tài)方面沒有問題，而且如果它超過額定雪崩電壓能量，則會立即停止運轉(zhuǎn)。在任何電路電容下，該尖峰都會振鈴，從而讓測量的電磁干擾釋放達(dá)到峰值。一個補救措施是嘗試降低電路電感，但是這通常不是實際操作中的選擇。除此以外，還可以大幅降低該開關(guān)的電壓，代價是影響成本和導(dǎo)通電阻，也可以使用串聯(lián)柵極電阻放緩邊緣速率。這個儀器并不敏感，它延遲了波形，從而通過限制占空比限制了高頻運行，還提高了開關(guān)損耗，同時不影響振鈴。緩沖電路可以允許快速開關(guān)，而且會減小尖峰和抑制振鈴。在過去的大電容器和大功率電阻時代，例如與IGBT一起使用時，這看上去像是一個“暴力破解”方法，用于嘗試降低大“尾”電流效應(yīng)。然而，對于SiC FET等開關(guān)而言，這是一個非常高效的解決方案。在這種情況下，主要使用緩沖電路抑制振鈴，同時限制峰值電壓，而且因為器件電容非常低，振鈴頻率高，所以只需要使用一個非常小的緩沖電路電容器，通常為200pF左右，并使用幾歐姆的串聯(lián)電阻。和預(yù)期一樣，電阻會耗散部分功率，但是它實際上會通過限制硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用中的電壓/電流重疊來降低關(guān)閉損耗。
在高負(fù)荷下使用緩沖電路可提升整體效率
在打開時，緩沖電路會耗散額外的能量，因此需要考慮總損耗E(ON)+ E(OFF)才能公正地評估它的好處。圖1將一些測量值代入E(TOTAL)，以體現(xiàn)40毫歐SiC FET在40kHz下的運行狀況，考慮了三種情況：無緩沖電路，RG(ON)和RG(OFF)為5歐姆（藍(lán)線）；200pF/10歐姆緩沖電路，RG(ON) = 5歐姆，RG(OFF) = 0歐姆（黃線）；無緩沖電路，RG(ON) = 5歐姆，RG(OFF) = 0歐姆（綠線）。從中可以看出E(TOTAL)非常低，但是振鈴過高，因而不可行。在電流大的情況下，使用緩沖電路的好處很明顯，與僅調(diào)整柵極電阻相比，在40A下的耗散降低約10.9W。在輕負(fù)載下，緩沖電路的整體損耗較高，但是在這些條件下，系統(tǒng)耗散很低。
【圖1：使用小緩沖電路時的能量節(jié)約】
圖2顯示的是使用緩沖電路降低振鈴的效應(yīng)。
緩沖電路易于實施
綜上所述，緩沖電路是一個好解決方案，但是切實可行嗎？在實踐中，獨立的緩沖電路電阻耗散的熱量不到1瓦，而且可以是小型的表面安裝器件。電容器需要高額定電壓，但是電容值低，因此體積也小。SIC FET的導(dǎo)電損耗和動態(tài)損耗都低，接近理想開關(guān)，而且只需增加一個小緩沖電路，它就可以發(fā)揮全部潛力，且不會造成過高的電磁干擾或電壓應(yīng)力問題。更“完美”的是，SiC FET的柵極驅(qū)動簡單，整體二極管損耗低，且到外部散熱片的熱阻低。還有什么理由不喜歡它呢？
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