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碳化矽 (SiC) 技術為電源、電動汽車和在家充電、大功率工業設備、太陽能應用和資料中心等多個行業顯著提高了功率傳輸和管理性能。
由於SiC更高的額定電壓、更低的系統運行溫度、具備更高的電流處理能力以及更出色的恢復特性,能為多種應用將效率及功率密度最大化,同時盡可能降低成本;然而,若想要充分利用 SiC 技術的優勢,將此類元件和性能進行表徵化就非常重要。 本文將詳細闡述 KIT-CRD-CIL12N-FMA 評估套件,特別是動態特性,以及為優化 SiC 功率模組開關性能所需的工具。
開展動態特性測試
為了測量MOSFET 動態性能的四個指標(包括開關損耗、時間、過沖、開關速度),必須使設備工作,然後使用鉗位元電感負載 (CIL) 測試系統進行高精度測量。
![Figure 1: MOSFET CIL dynamic characterization kit by Wolfspeed](/static/35fbd333b059fa6098da581f5f3e2e2f/2c440/dynamic-characterization-1.png)
將 MOSFET 動態性能進行表徵化的第一步是使用雙脈衝測試 (DPT) 測量元件的電壓和電流。通過測量這兩種波形,可以提取並分析所有的資訊,包括損耗、時間、過沖以及開關速度/能量。圖 2 是半橋拓撲的典型設置方式,利用 WolfPACK 功率模組以及在測試時獲取的一些關鍵波形及測量資料。根據波形示意圖可以看出,當低邊開關開通時,將會呈現典型的開通波形,顯示峰值電流/過沖,以及 di/dt 和 dV/dt 以及 Vds。電壓和電流的乘積為暫態功率,結合來看,可以揭示從關斷狀態變化到開通狀態的開關能量。 在表徵過程中,一種不太常見的測試是二極體測試,其使用低邊開關的負載電感進行。這有助於在開關過程中將體二極體的性能進行表徵化,同時展現反向恢復性能。
![Figure 2: Half-bridge DPT configuration with voltage/current waveforms and energy loss calculations](/static/97fea59b11d5de953eb6734494d9e57c/f4911/dynamic-characterization-2.png)
系統PCB 以及柵極驅動器佈局的最佳實踐
另一個需要測量的重要方面則是加入柵極電阻後 MOSFET 性能的變化,其會改變電壓和電流(dv/dt 以及 di/dt)的變換速率,並增加開關損耗。對於多個 MOSFET 並聯的情況,建議每個 MOSFET 柵極配置1 Ω 到 10 Ω的柵極電阻(Rg),這有助於減少開關過程中的振 盪,並避免 MOSFET 超出其最大額定電壓。
SiC 元件的實際佈局對過沖有顯著影響,這是由於寄生電感結合di/dt 會產生感應電壓(會疊加在母線電壓上)。由於 SiC 能夠實現更迅速的開關速率,其過衝要比矽 (Si) 高得多。所以,務必要遵循最佳佈局實踐,盡可能降低任何額外的電感。例如,直流匯流排應包含層壓銅平面,而每個模組和電容器之間的電感應相等。同時還應具有較大的表面積,幫助散熱,以及具備較厚的走線,盡可能減少自身電感。同時也應使平面重疊,以加強磁通相抵效果,如圖 3 所示。
![Figure 2: Half-bridge DPT configuration with voltage/current waveforms and energy loss calculations](/static/0a5e41dd01d5a33114d518c1ea158a9c/a5b21/dynamic-characterization-3.png)
在高壓線與匯流排連接的 PCB 上的額外層有利於提高去耦和磁通相抵效果,而直流母線電容和壓接引腳之間具備相等的電感/跡線長度同樣也很重要。WolfPACK 模組的輸出部分具備較寬的平面,可提供最大的電流載流量,這也是十分重要的。此外,不得將模組的輸入和輸出部分重疊,這會增加電容並使損耗變大。
柵極驅動器主要有兩種配置方式。第一種是單極性,在“關斷”狀態下,功率 MOSFET 在不存在負偏壓的情況下保持關斷。第二種是雙極性,其中存在兩個電源,一個電源具有負電壓,在“關斷”狀態下保持設備關閉,並能提高整體可靠性。圖 4 示出了單極和雙極柵極驅動器在“開”狀態下的對比圖。
![Figure 4: Unipolar (left) and bipolar (right) gate driving concepts during on-state transition](/static/355337abba34f0c381f80efed7832f6b/6e34b/dynamic-characterization-4.jpg)
對於單極性配置,建議為開爾文源極平面(MOSFET 的信號源極)配置成較大、較厚並位於所有元件的正下方,且包含多個連接至驅動器IC 旁路電容和功率端子的通孔(最大化電流載流量)。同時,為每一 MOSFET 設置不同的柵極電阻能夠帶來可調整性和不同的開/關速度等優勢。對於雙極驅動器來說,可能需要額外的一套電容器來提供額外的負電源。將高頻回路最小化是獲得最小電感、最大峰值電流、最低開關損耗以及最佳性能的關鍵。圖 5 示出了單極性和雙極性配置的最佳佈局。
![Figure 5: Ideal layout for unipolar (left) and bipolar (right) gate driver configurations](/static/327d8d014ad96d7b6a67ab37834b5dfe/deaca/dynamic-characterization-5.jpg)
如何測量寄生電感並將其表徵化
由於電感極低(通常低於 10 nH),因此測量 SiC MOSFET 模組的寄生電感可能非常困難。Keysight E4990A 阻抗分析儀是一款出色的工具,能夠測量一系列頻率(10 kHz 到 120 MHz)下的電感。為了與模組設備連接,需要 Keysight 特定探針中的一支,或者定制化、牢固的 PCB 設備(不含焊線/線纜/夾具),以確保最高水準的準確度。
將 Wolfspeed的 62 毫米 WolfPACK 模組以及三款使用相同設置的競品進行了寄生電感比較,發現 Wolfspeed CAB530M12BM3