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全碳化硅功率模块开关瞬态特性及损耗研究

java 2025/8/18 7:29:18

摘要：为了加快全碳化硅功率模块的实际工程应用，针对全碳化硅模块开通关断过程中电压电流变化率、栅极电压耦合、开通损耗和关断损耗开展了分析，并与传统IGBT 功率模块进行了对比分析。在全碳化硅功率模块双脉冲试验的基础之上，研究了不同电压电流等级下开关瞬态特性和开关损耗，提取试验参数，获得了电压电流应力大小，为全碳化硅功率模块的工程应用提供有效参考。

关键词：全碳化硅功率模块；双脉冲测试；开关瞬态特性；开关损耗

中图分类号：TM 303 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2019)05-0100-07

引言

随着功率半导体技术的快速发展，以碳化硅 (SiC)、氮化镓(GaN)等为代表的第三代宽禁带半导体逐渐走向商业化应用1-3]。科锐(CREE)、罗姆(RHOM)、英飞凌(Infineon)等半导体公司相继推出了全SiC功率模块，电压等级达到1200~1700 V,导通电流达到300～400 A。与传统硅(Si) 材料相比，SiC材料耐压等级更高、开关频率更快、导通电阻更低、开关损耗更小[46],在显著提升系统效率的同时有助于减小散热器、滤波器等设备的体积，提高装置的功率密度，满足设备小型化、集成化的发展需求。SiC 功率器件开关频率较高，意味着在开关过程中电压、电流变化率(du/dt 、di/dt) 更大，而 SiC 功率器件其自身参数分散性大、栅极开启电压低、反向关断电压低[78],因此，较大 du/dt 、di/dt 容易引起栅极振荡，影响功率器件的正常运行，严重时甚至会损坏功率器件，危及设备安全。为了有效推进SiC 功率器件的工程应用，国内外学者开展了大量相关研究。文献[9-14]分析了驱动回路参数、共源极电感、功率器件寄生参数、功率器件输入电容、功率回路杂散电感等对SiC MOSFET开关瞬态过程的影响，简述了SiC分立器件的开关特性测试方法，研究了控制脉冲、驱动脉冲及电磁能量脉冲三者之间的形态属性关系。文献[15]分析了栅极驱动电压振荡引起漏源电压、漏源电流振荡的问题。文献[16]针对SiC MOSFET功率模块开展了栅极振荡方面的研究，并简单论述了抑制措施，但未从理论上进行详细分析。文献 [17]针对 SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT的动态和静态特性进行了对比分析，从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、电磁干扰(EMI)抑制及拓扑与控制方式的选择等方面对已有成果进行了归纳与概述。文献[18]建立仿真模型，分析了功率器件寄生电容、寄生电感对SiCMOSFET分立器件开关特性的影响。文献 [19]基于驱动回路参数，建立了SiC MOSFET分立器件的开关行为模型，分析了驱动回路参数对电压电流变化率、开关过程损耗、电压电流过冲等的影响。文献[20]以双向有源电路(DAB)为例进行分析，对比了同等功率等级下SiIGBT、Si CoolMOS和SiC MOSFET 的开关瞬态特性，但其测试所采用的都为分立器件，电流仅为4~10A,功率约为2kW。文献[21]分析了SiC分立器件漏极、源极寄生电感对电压电流过冲、开关过程振荡等的影响。综上所述，虽然国内外学者针对SiC器件开展了大量研究，但主要集中在SiC 分立器件，电压电流普遍较小，功率等级低，而对于全SiC功率模块开关特性及开关损耗的研究较少，缺乏工程应用所关注的开关特性、开关损耗及器件应力等关键数据。因此，为了推动全SiC功率模块在大功率领域的应用，迫切需要研究其开关瞬态特性及损耗，为工程应用提供理论及数据参考。

本文首先理论研究了开通关断过程中电压电流变化率du/dt 、di/dt 及其与栅极的耦合效应，并分析了全SiC 功率模块的开通损耗E 及关断损耗Ef, 同时，与传统 Si IGBT 功率模块的开关特性进行简要对比分析。搭建双脉冲测试平台，在

双脉冲试验的基础之上，分析在不同电压电流等级下全SiC 功率模块的开关瞬态特性及其开关损耗，提取开通关断过程中电压电流参数，分析其电压电流应力大小，为全SiC 功率模块的推广应用提供一定的参考依据。

1 全 SiC 功率模块开关特性分析

为了有效测试全SiC 功率模块开关特性，从包含功率模块栅极寄生电感的双脉冲测试电路出发，开展功率模块开关特性理论分析。图1所示为全SiC 功率模块双脉冲测试电路，以下管为例进行说明，上管与此类似。其中，V为电源，C。为支撑电容，U₁ 为上管栅极电压(测试下管时，其为负电压，保证上管处于截止状态),U₂为下管栅极驱动电压(全SiC 功率模块驱动电压为-4~20 V),L₀ 为负载电感，Rg₁为栅极驱动电阻，Lg为栅

极驱动引线电感。M₁为功率模块下管，其中包括栅极寄生电感L。、栅极寄生电阻R、漏源电容 C 、栅源电容C 、栅漏电容(米勒电容)C。

全SiC 功率模块在使用过程中 du/dt 、di/dt 及开关损耗至关重要，关系到驱动电路、叠成母排、散热器等设备组件的设计，也是电气设备EMI 主要来源之一。因此，下文将分别从开通和关断两个方面针对du/dt 、di/dt 及开关损耗开展理论分析。

1.1 开通过程理论分析

由于实际元器件存在响应时间，所以电压电流不能产生突变。全SiC 功率模块的开通过程如图2所示。开通时，由于米勒电容的存在，栅极会与母线电压产生耦合作用，栅极电压会先上升到米勒平台附近，当米勒电容充电过程结束后，栅极与母线电压产生耦合作用，栅极电压会先上升到米勒平台附近，当米勒电容充电过程结束后，栅极

电压继续上升到正常电压值。

在米勒电容C 充电的过程中，栅极电压几乎维持在米勒电压Um附近，可近似表示为[9]

在栅极电压ug 上升至栅极阈值电压 U 后，栅极电流ig开始对栅源电压C 充电，漏源电流ia 可近似为

根据式(5)~式(7),可知开通过程的电流变化率为

1.2 关断过程理论分析

关断过程与开通过程类似，也存在较大的电压电流变化率。全 SiC 功率模块关断过程如图3 所示。

在栅极电压 u 下降至米勒电压附近的过程中，栅极电流ig对米勒电容 C 放电，与开通过程分析相似，此时栅极电压为关断驱动电压Upp,则关断时的漏源电压变化率du/dt为

1.3 开关损耗计算

与传统 Si IGBT功率模块相比，开关损耗更低，主要分为开通损耗E 和关断损耗 E。开通 (关断)损耗主要是由于开通(关断)过程中漏源电压不会立即下降到零(上升到稳态电压),漏源电流也不会立即上升到负载电流(下降到零),都存在一定的上升下降时间，造成开关过程中电压电流存在重叠区域，由此产生开关损耗。开关过程越长，则开关损耗越大。开关损耗可以按式(14)计算：

其中：在开通时，t₁ 为栅源电压上升到高电位10% 的时刻，t₂ 为漏源电压下降至母线电压10%(或漏源电流上升至导通电流90%)的时刻；在关断时t₁ 为栅源电压降至其高电位90%的时刻，t₂ 为漏源电压上升至母线电压90%(或漏源电流下降至导通电流10%)的时刻。

由于采集的电压电流为离散量，所以开通关断损耗又可以表示为

式中：N—— 开关过程中采样点数，N=(t₂-t₁)S, S 为示波器采样率。

当采样率足够高时，能满足实际测量精度，由此可得开关过程总损耗为

2 与 IGBT 模块对比分析

从上述全 SiC功率模块开关瞬态特性理论分析可以看出，在不考虑漏极、源极引线电感和寄生电感的情况下，开关过程中电压电流变化率du/dt、di/dt主要与C、C、ig、Lg有关，同时还与栅极驱动电压Ucc、Upp有关。根据功率模块数据手册提供的输出电容C、输入电容Ciss、转移电容C, 结合三者与功率模块极间电容之间存在的关系(C=C,C=C+C,Ci=

Cg+C), 转化可得相应的极间电容。全 SiC 功率模块和 Si IGBT功率模块基本参数[22]对比如表 1 所示。

从表1看出，全SiC 功率模块的栅漏电容C

仅为SiIGBT 功率模块极间电容C的1/7~1/10,栅源电容C为SiIGBT极间电容C的4/5~2/5;同时还可以看到全SiC功率模块的栅极开启电压约为2.5V,而SiIGBT功率模块栅极开启电压为5~7V,相差2~3倍；全SiC功率模块栅极驱动电压范围一般为-4~20 V,SiIGBT功率模块驱动电压范围一般为-15~15V。因此，结合上述开通关断过程的理论分析，由式(4)、式(9)、式(11)、式(13)可知，全SiC功率模块开通关断过程电压电流变化率比传统SiIGBT 功率模块更大，而且由于全 SiC功率模块栅极阈值电压更低，因此更容易受到杂散电感、栅极电容的耦合干扰，造成开通关断过程振荡加剧。从表1还可以发现全SiC功率模块与传统SiIGBT模块相比，开通延迟时间td、开通上升时间t,、关断延迟时间tdo、关断下降时间t都更短，这意味着开通关断重叠区大大减小，开关损耗减小，但也带来了较高的电压电流变化率。为此，下文基于双脉冲试验平台对全SiC功率模块开关瞬态特性及开关损耗开展研究，为全SiC功率模块的实际应用提供一定的参考。

3 全 SiC 功率模块试验分析

3.1 试验平台介绍

图4所示为双脉冲试验平台实物图。其测试电路的原理图见图1,其中测试所用负载电感为 70μH, 测试所用的全 SiC 功率模块为CREE 公司所生产的 CAS300M12BM2。为了确保测试过程精确可靠，测试过程采用高采样率/高带宽数字示波器和高带宽电压电流探头，详细参数如表2所示，驱动脉冲信号由DSP28335 产生，经过脉冲板电平转换后发送到功率模块驱动电路板，实现全 SiC功率模块开通与关断。

3.2 开关瞬态特性分析

为了有效评估全SiC 功率模块开关特性，分

别在电压等级200~800 V、电流等级100~300 A 条件下开展测试，分析在不同电压、电流等级下的电压电流变化率。图5所示为7种测试条件下的开关特性曲线。

从图5可以看出，全SiC 功率模块在开通关断阶段电压振荡较小，而电流振荡较大，主要是由于全SiC 功率模块栅极阈值电压U. 较低，开关过程中由于米勒电容的耦合作用，导致栅极电压产生波动，从而使得开通关断过程中漏源电流产生较

大振荡。从图5还能看出，随着电压等级的增高，关断电流尖峰呈现增大趋势，开通电流振荡加剧，降低了全SiC 功率模块开通关断过程的可靠性。

针对上述不同电压电流等级全 SiC 功率模块开关特性曲线，提取其电压电流变化率du/dt 、 di/dt。图6所示为导通电流100 A, 漏源电压变化时的功率模块电压电流变化率。图7所示为 600 V 和800 V 电压等级下，漏源电流变化时功率模块电压电流变化率。

从图6可以看出，在导通电流保持100 A 不变的情况下，随着漏源电压u. 不断增大，开通和关断过程中电压变化率du/dt 不断增大，而电流变化率di/dt 基本维持不变。同时还可以看出，在门极驱动电阻相同的情况下，其开通过程的电流变化率几乎是关断过程电流变化率的两倍，这主要是由于全SiC功率模块反向关断电压更低(-5V),而正向驱动电压较高 (20V),与电压电流变化率的理论分析吻合。

从图7分析发现，在600V和800V 的测试条件下，随着漏源电流增大，其开通关断过程的电流变化率不断增大。由于实际测试电路中杂散电感不可避免，因此其开通关断过程中电压变化率也有不同程度增加。同时也可以看出电压电流变化率在开通过程较关断过程更大，与图6所得分析结果一致。

3.3 开关损耗分析

分析全 SiC功率模块开关损耗对于设备散热器设计具有重要指导意义，进而能够提升功率模块开关频率，增大装置功率密度。根据上述开关损耗的理论分析，提取试验过程中的相关参数，可以计算其开关损耗。不同电压电流等级下的开关损耗如图8所示。

从图8可以看出，随着电压电流不断增大，开通关断损耗不断增加，而且开通损耗小于关断损耗，约为关断损耗的50% 。这主要是由于开通过程相较于关断过程更快，电压电流重叠区域更小，因此其损耗更小。从图8(a)可以看出，在100A/600V时，总开关损耗为7.8mJ; 从图8(b)看出，在200 A/600V时，总开关损耗为20mJ,而对应等级的IGBT功率模块总开关损耗在40mJ以上；从图8(c) 可以看出，在300A/800V条件下，其开关损耗也仅为51.3mJ, 与IGBT相比大大减小。

全SiC 功率模块反向恢复时间短，几乎不存在拖尾电流，开关损耗大大减小，有效降低了功率模块热应力，降低了散热器设计要求，有效提升了系统整体效能。

3.4 系统性能影响分析

在实际工程应用中，过高的电压电流尖峰会产生较大的电压电流应力，加速功率模块损坏，降低器件寿命；同时，过高的振荡幅值会影响器件电压电流的高频分量和系统电磁兼容性，进一步影响整个系统的性能。功率模块的电压、电流应力可定义为开通关断过程中电压、电流峰值与关断前导通电压、电流之比，比值越大则器件所承受的应力越大，其表达式为

从图9(a) 可以看出，在开通过程中电压应力值为1,即不存在开通电压尖峰；随着电压升高，

关断过程的电压应力值从1 .20减小至1.05。从图 9(b)可以看出，随着电压增加，开通和关断过程中，电流应力不断增加，关断过程电流应力已经达到约1.78。原因是在开通过程中随着电压增加，栅极电容充电过程加快，造成开通过程中电流幅值增加，增大了电流应力。在关断过程中，由于实际电路中叠层母排的杂散电感不可忽略，造成漏源电流产生较大电流过冲，增大了器件应力。因此，在实际应用过程中，应充分考虑全SiC功率模块电压电流应力，避免降低模块寿命或发生损坏。

4 结语

本文针对全SiC 功率模块的开关瞬态特性及开关损耗开展了分析研究，主要对开通关断过程中电压电流变化率du/dt、di/dt和开通关断损耗Em、E.开展了探究；与IGBT模块进行了对比，分析了全SiC功率模块在应用中主要面对的问题。基于双脉冲测试电路，测试了不同电压电流等级下全SiC 功率模块的du/dt、di/dt、E、E,并开展了定量分析，通过提取试验参数，获得了功率模块电压电流应力，为实际工程应用提供有效参考。