栅极环路电感对SiC和IGBT功率模块开关特性的影响分析

IGBT和碳化硅（SiC）模块的开关特性受到许多外部参数的影响，例如电压、电流、温度、栅极配置和杂散元件。本系列文章将重点讨论直流链路环路电感（DC−Link loop inductance）和栅极环路电感（Gate loop inductance）对VE‑Trac IGBT和EliteSiC Power功率模块开关特性的影响，本文为第二部分，将主要讨论栅极环路电感影响分析。

测试设置

双脉冲测试 (Double Pulse Test ，DPT) 采用不同的设置来分析SiC和IGBT模块的开关特性。如表1所示，对于直流链路环路电感影响分析，可在直流链路电容和模块之间添加母线来进行。对于栅极环路电感影响分析，如表10所示，在栅极驱动板和模块之间添加外部插座或电线。为了研究模块的开关特性，本次测试使用 900V、1.7mQ EliteSiC Power功率模块 (NVXR17S90M2SPC)和 750V Field Stop 4 VE－Trac Direct模块 (NVH950S75L4SPB) 作为待测器件(DUT)。

图 1. 双脉冲测试设置

IGBT的开关特性与栅极环路电感(LG)的关系

栅极环路电感会对开关特性造成影响。针对NVH950S75L4SPB模块，在满足以下条件的情况下进行了双脉冲测试。

DUT: 低边FS4 750V 950A IGBT 模块 (NVH950S75L4SPB)

VDC = 400 V

I_C = 600 A

V_GE = +15/−8 V

R_G(on) = 4.0 Q

R_G(off) = 12.0 Q

T_vj= 25℃

表10显示了三种不同的栅极环路电感与开关特性之间的测试配置。在栅极驱动器和模块之间添加了外部插座或延长线，以模拟在栅极环路上增加的电感。

表 10. 栅极环路电感测试设置

图10显示了在IGBT导通阶段，不同栅极环路测试配置下的波形对比，总结的特性如表11中所述。较长的栅极环路测试设置显示出较低的Eon值以及更快的di/dt。栅极环路电感主要由栅极环路长度引起。在开始导通时，栅极环路电感能够减缓升流（rising current）速度。当栅极电压达到米勒平台时，环路电感充当电流源（current source），该电流源通过向栅极提供更多电流来加快di/dt的变化。相较于直流链路环路，栅极环路长度对导通特性的影响较小。同时，更高的栅极环路电感会增加栅极电压的过冲，这可能会因 R_G 而失去可控性。

图11展示了在IGBT关断期间，不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表12所述。关断特性相比于导通特性受到的影响较小。在关断初期，由栅极回路电感引起的下冲电压略有不同，但并不会对关断特性造成实质性影响。当栅极电压达到米勒平台阶段时，dV/dt和di/dt会因下冲电压而略有变化，但在短时间内会被栅极灌电流迅速恢复。

图 10. IGBT导通波形与栅极环路电感(L_G)的关系


表 11. 总结：IGBT导通特性与栅极环路电感

图11展示了在IGBT关断期间，不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表12所述。关断特性相比于导通特性受到的影响较小。在关断初期，由栅极回路电感引起的下冲电压略有不同，但并不会对关断特性造成实质性影响。当栅极电压达到米勒平台阶段时，dV/dt和di/dt会因下冲电压而略有变化，但在短时间内会被栅极灌电流迅速恢复。

图 11. IGBT关断波形与栅极环路电感(L_G)的关系


表 12. 总结：IGBT关断特性与栅极环路电感(L_G)

SiC MOSFET开关特性与栅极环路电感(L_G)的关系

本小节分析了不同栅极环路电感(LG)对SiC MOSFET 开关特性的影响。在与表 10 相同的测试条件下，对 NVXR17S90M2SPC 模块进行了双脉冲测试，测试条件如下。

DUT: 低边NVXR17S90M2SPC

VDC = 400 V

I_C = 600 A

V_GE = +18/−5 V

R_G(on) = 3.9 Q

R_G(off) = 1.8 Q

T_vj= 25℃

图 12 显示了 SiC MOSFET 导通期间，栅极环路测试不同设置下的波形比较，表 13 对其特性进行了总结。与 IGBT 的情况一样，较长的栅极环路测试条件下，较快的 di/dt 导致较低的 E_on 和较高的 V_{SD_peak}峰值电压。

图 12. SiC MOSFET导通波形与栅极环路电感(L_G)的关系


表 13. 总结：SiC MOSFET 导通特性与栅极环路电感

图13展示了在SiC MOSFET关断期间，不同栅极环路电感设置下的波形对比。总结出的特性如表14中所述。在测试时，若使用较高的栅极环路电感，即使V_DS过冲电压增大，也会反应出较快的di/dt及较低的E_off。关断后，可作为电磁干扰(EMI)噪声源的I_D振荡幅度取决于栅极环路的长度。

图 13. SiC MOSFET关断波形与栅极环路电感(L_G)的关系


表 14. 总结：SiC MOSFET关断特性与栅极环路电感

总结

在本应用笔记中分析了电感对IGBT和SiC MOSFET模块开关特性的影响。较高的直流链路环路电感设置会在Eoff和Err较高时导致较低的Eon。此外，结果显示，在23nH和37nH测试设置之间的总开关损耗差距小于2mJ。这可能会让人误认为杂散电感对开关损耗影响不大。然而，为了符合RBSOA和EMC的要求，调整外部栅极电阻（RG）或其他系统参数很有必要，尽管这样做会牺牲 di/dt 的可控性并且增加开关损耗。图14和图15展示了在优化外部RG前后，直流链路环路电感条件下IGBT和SiC的开关损耗情况。在优化外部RG之前，采用较高的直流链路环路电感设置，总开关损耗相似，但在针对系统性能优化外部RG之后，当直流链路环路电感从23nH变为37nH时，IGBT和SiC案例中的总损耗分别增加了20%和92%。

图 14. IGBT 总损耗比较


图 15. SiC MOSFET 总开关损耗比较

较高的栅极环路电感设置在米勒平台效应后，通过电感效应带来稍快的导通瞬态。从开关损耗的角度来看，其影响比直流链路环路电感要小一些。由于不希望出现栅极过冲现象，较高的栅极环路电感会导致栅极控制能力降低。从短路情况来看，这种电感会拉高栅极电压，因此，通过增加栅极电压可以缩短短路耐受时间。此外，较长的栅极环路可以充当天线，电磁噪声抗干扰能力差，并且可能对其他电路产生干扰。

IGBT 开关损耗与栅极环路电感的关系

总之，最小化直流链路和栅极环路电感对于IGBT/SiC的开关应用是必要的，在满足可控性和电磁兼容性的同时获得更低的开关损耗。