减轻 MOSFET 体二极管的反向恢复过冲

由于 SiC MOSFET 尺寸紧凑、效率更高，并且在高功率应用中具有卓越的性能，因此目前正在开关应用中取代 Si 器件。 SiC 器件可实现更快的开关时间，从而显着降低开关损耗。这些优势源于 SiC 器件独特的电气和材料特性——MOSFET 体二极管结构固有的快速反向恢复，这削弱了 SiC MOSFET 的优势。在快速反向恢复事件期间，设备可能会经历较大的电压尖峰，从而给设备和整个系统带来风险。其他设计挑战包括增加的电磁干扰 (EMI) 和意外故障，例如假栅极事件或寄生导通 。幸运的是，您可以减轻这些影响，从而优化系统性能。

系统级别的反向恢复：

与软体二极管集成的 SiC MOSFET 提高了转换器电路的工作频率和效率，同时减少了组件数量。

图 1显示了单相两电平转换器的全桥拓扑以及将导致反向恢复事件的脉冲模式。在 t 0处，所有开关开始处于关闭状态。 S 1和S 4在t 1 期间最初开启，让电流通过负载。在t 2期间，S 4返回截止状态。然后电流必须更改为续流路径，该路径利用了 S 2中的体二极管。这段时间称为死区时间，电流会因路径电阻而衰减。在t 2和t 3之间的过渡期间，S 4重新导通，导致击穿情况，迫使 S 2的体二极管进行反向恢复。恢复瞬间后，电流路径中的寄生电感会导致电压过冲，以维持路径中的电流。

图 1. 单相两电平转换器的原理图显示了反向恢复事件之前的续流电流(蓝色箭头)的路径。脉冲模式显示续流路径和反向恢复事件。

反向恢复和柔软系数

当 SiC 二极管从“正向导通”转变为“截止状态”时，会发生快速或反向恢复。为了简化反向恢复事件，图 2显示了二极管的理想恢复电流和电压波形(图 2a)以及 MOSFET 的非理想电流波形(图 2b)。

图 2. (a) 二极管的理想反向恢复电流(实线)和电压(虚线)与 (b) 测量的 MOSFET 体二极管电流恢复波形的比较表明，测量的波形包含由寄生电感引起的振铃在电路中。

图 2a 显示了基于 I二极管的两个时间区域。从t 0到t 1，施加反向电压VR(虚线)迫使电流以恒定速率d I /d t下降。在此期间，d I /d t变化的速率主要由所施加的VR 、互补器件的外部RG等电路元件以及寄生电路电感决定。在 t 1 开始时，多余的载流子从漂移区被移除，并且耗尽区开始形成，从而在二极管两端建立电压。当 I 时，电压达到目标值 V Rrrm在 t 2 处满足，并且没有来自电压源 VR 的额外偏置进一步增加电流幅度。从 t 2到 t 3，由于寄生电感与下降的环路电流相反，电压超过其目标值，最终稳定在 V R。电压过冲峰值取决于电路的寄生电感和恢复电流的变化率dI r /dt (max)。

通常，我们使用两个公式来评估恢复事件的软度因子。下面是 S1，单参数比率：

其中 t a = t 2 – t 1且t b = t 3 – t 2 。

当S 1 = 1 时，电流达到Irrm 所需的时间等于返回到0 A 或泄漏值所需的时间。

测量反向恢复事件软度的第二种方法定义如下：

其中：dI/dt 为换流电流初始过零时的电流，dI r /dt (max)为 t b期间的最大返回电流。

当S 2 = 1时，流入和流出体二极管的电流速率相等。大多数器件从未达到理想的 S 1 和 S 2值。当S1和S2小于1时，将发生快速恢复，而大于1的值被认为是软恢复。

图3显示了用于执行反向恢复特性分析的半桥测试电路。与图 1 中描述的脉冲模式类似，高侧器件最初会打开和关闭，以允许受控的电流量流过低侧 MOSFET 的体二极管。然后，高侧器件重新开启，迫使续流电流换向、过冲并最终稳定下来，完成反向恢复事件。测试板和其他外部电路应限制对体二极管特性的影响。根据良好的 PCB 布局实践，尽力最小化测试板的杂散电感，并确保外部电路不会限制 MOSFET 的开关能力。最小化电源和栅极环路的面积将减少电感并实现更好的开关控制。

图 3. 该半桥配置的测试电路可让您表征 MOSFET 中的反向恢复参数

管理反向恢复和 EMI

温度依赖性是反向恢复事件期间V DS过冲和峰值 I DS值的主要因素。在高温下进行的测试将提供“最坏情况”的结果。通过体二极管的续流电流随着时间的推移以热量的形式慢慢消散。这种热量会导致结点温度发生变化，从而降低导电路径的电阻，从而增加初始 d I /d t。

图 4a显示了反向恢复电流的温度依赖性。测试参数包括 R G(ext) = 5 Ω、V DS = 800 V 和 I D = 40 A。建议增加外部栅极电阻以实现更柔和的恢复特性，例如降低 Q rr、I rrm和阻尼振铃。图 4b) 显示了通过增加 R G(ext)获得的反向恢复改进。较高的栅极电阻可降低快速反向恢复的风险，并且如果过度阻尼，则可能会因 t rr增加而增加开关损耗。图 4b) 显示了不同外部 R G的反向恢复电流与时间的关系价值观。电流波形中振铃效应的减少将减少不需要的 EMI。

图 4.ID 与 t (a) 在 25°C 和 175°C 以及 (b) 不同 RG(ext) 值下的关系显示了温度和外部栅极电阻对反向恢复的影响。

表 1表明，增加 R G将降低 d I /d t和 Q rr并抑制初始振荡峰值电流水平。相反，增加 R G也会增加 t rr，从而在过冲和开关时间之间进行权衡。测量后务必目视检查波形。

表 1. 各种 RG(ext) 值的反向二极管特性。

反向恢复对电压和能量的影响

您还必须考虑反向恢复对电压的影响，以确保电源电路不会超出设备的安全工作区 (SOA)。换向电流路径中的寄生电感会导致电压波形出现过冲。如果忽视，您将违反 SOA 并降低系统效率和半导体器件的使用寿命。

图 5a显示了在 T = 125°C 且 V DS = 800 V时，低侧器件的I SD恢复波形与时间的函数关系。图 5b显示了 V DS恢复波形与时间的函数关系，图 5c显示了峰值 V DS值作为外部栅极电阻的函数。测试的器件采用半桥配置，每个开关位置有 4 个并行芯片。正如预期的那样，V DS峰值随着 R G(ext)的增加而降低。需要R G(ext) >3 Ω 才能保持在器件的 SOA 内。

图 5. 显示了在半桥配置中使用并联四个芯片时的 (a) IDS 与 t (b) VDS 与 t (c) 以及 VDS 峰值与 RG(ext) 结果。通过增加模块的外部栅极电阻可以轻松管理峰值 VDS。

结论

所示电路可帮助您在 SiC MOSFET 体二极管反向恢复期间减轻过冲电压和不需要的 EMI。反向恢复是 MOSFET 体二极管固有的现象，结温升高会放大负面影响。电路板或模块电路寄生会产生振荡电压尖峰，从而打破器件 SOA 限制。您应该准确表征 MOSFET 体二极管的软度系数，以充分了解缓解技术所带来的好处。增加外部栅极电阻是软化恢复特性和管理 V DS过冲的最常用方法。