IGBT混搭SiC SBD續流二極管，在硬換流的場(chǎng)合，至少有兩個(gè)主要優(yōu)勢：

 

●    沒(méi)有Si二極管的反向恢復損耗Erec

●    降低30%以上IGBT的開(kāi)通損耗Eon

 

因此，在中小功率光伏與UPS等領(lǐng)域，IGBT混搭SiC SBD續流二極管具有較高性?xún)r(jià)比。

 

此次，我們將利用英飛凌強大且豐富的器件SPICE模型，同樣在Simetirx的仿真環(huán)境里，測試不同類(lèi)型的續流二極管，對IGBT開(kāi)通特性及Eon的影響。

 

特別提醒

 

仿真無(wú)法替代實(shí)驗，僅供參考。

 

選取仿真研究對象

 

IGBT：650V/50A/S5、TO247-4pin(免去發(fā)射極電感對開(kāi)通的影響)

 

FWD：650V/30A/50A Rapid1二極管和650V/20A/40A SiC/G6/SBD二極管

 

Driver IC：1EDI20I12AF驅動(dòng)芯片，隔離單通道，適合快速I(mǎi)GBT和SiC驅動(dòng)

 

搭建仿真電路

 

如下圖1所示，搭建了雙脈沖仿真電路，溫度設為常溫。

 

驅動(dòng)回路

 

驅動(dòng)芯片(1EDI20I12AF)，對下管Q1(IKZ50N65ES5)門(mén)級的開(kāi)關(guān)控制，與上管D1續流二極管進(jìn)行換流。參照Datasheet的條件，驅動(dòng)IC原邊5V供電及5V的控制信號，驅動(dòng)IC輸出的驅動(dòng)電壓15V/0V給到Q1的門(mén)級，驅動(dòng)電阻Rgon和Rgoff都設置為23.1Ω，再假設20nH左右的門(mén)級PCB走線(xiàn)電感。

 

主回路部分

 

設置母線(xiàn)電壓400V，在器件外的上管、下管和母線(xiàn)附近各設置10nH，總共30nH(參照規格書(shū)中的雙脈沖測試條件，Lσ=30nH)。根據仿真中的驅動(dòng)脈沖寬度與開(kāi)關(guān)電流要求，設置雙脈沖的電感參數。

 

圖1：雙脈沖仿真電路圖

 

仿真結果分析

 

根據上述電路，通過(guò)選取不同的續流二極管D1的型號進(jìn)行仿真，對比觀(guān)察Q1的IGBT在開(kāi)通過(guò)程的變化。如圖2和圖3所示，在IGBT的開(kāi)通過(guò)程中，當續流管D1的型號從650V/50A/Rapid1切換到650V/40A/SiC/G6/SBD后，開(kāi)通電流Ic的電流尖峰(由D1的反向恢復電荷Qrr形成)，從虛線(xiàn)(50A/Rapid1)的巨大包絡(luò )，顯著(zhù)變?yōu)閷?shí)線(xiàn)(40A/SBD)的小電流過(guò)沖；同時(shí)電壓Vce在第二段的下降速度也明顯加快，使得電流Ic與電壓Vce的交疊區域變小。因此，體現在開(kāi)通損耗Eon上，前者虛線(xiàn)(50A/Rapid1)為Eon=430uJ，降為實(shí)線(xiàn)(40A/SBD)的Eon=250uJ，占比為58%，即Eon降幅約40%。

 

圖2：雙脈沖仿真開(kāi)關(guān)特性波形(650V/50A/Rapid1)

 

圖3：雙脈沖仿真開(kāi)通波形對比(Rapid1/50A VS SiC/G6/SBD/40A)

 

圖4：雙脈沖仿真開(kāi)通波形對比(不同電流規格二極管的對比)

 

為了進(jìn)一步驗證二極管D1的影響，分別用兩種不同電流進(jìn)行橫向對比。由上述圖4的仿真結果可見(jiàn)：同為650V/SiC/G6/SBD二極管的Qrr本身很小，不同電流規格(40A和20A)，其Ic電流尖峰和開(kāi)通損耗Eon都很接近。相對而言，50A和30A的650V/Rapid1的二極管，才能體現出一定的差異。

 

以上仿真是在門(mén)級電阻Rgon=23.1Ω、驅動(dòng)電壓Vge=15V/0V和外部電感Lσ=30nH的條件下進(jìn)行的，如果采用不同門(mén)級電阻Rgon=18Ω或35Ω、Vge=15V/-8V和不同外部電感(如Lσ=15nH)時(shí)，從Rapid1/50A到SiC/G6/SBD/40A，IGBT開(kāi)通損耗Eon的變化趨勢又將如何呢？

 

圖5：門(mén)級電阻Rgon為18Ω和35Ω時(shí)，SiC/G6/SBD/40A對Eon的影響

 

圖6：外部電感Lσ=15nH時(shí)，SiC/G6/SBD/40A對Eon的影響

 

圖7：在門(mén)級電壓Vge=15V/-8V時(shí)，SiC/G6/SBD/40A對Eon的影響

 

由上述幾組仿真結果來(lái)看，在一定門(mén)級電阻Rgon范圍，一定外部電感條件Lσ，以及不同門(mén)級電壓Vge時(shí)，均可以看到650V/40A/SiC/SBD二極管，給IGBT開(kāi)通帶來(lái)約50%左右的Eon損耗降低。

 

文章最后，我們再討論一個(gè)問(wèn)題：選擇Vge=15V/0V與Vge=15V/-8V，對650V/50A/S5的TO247-4pin的單管的開(kāi)關(guān)損耗Eon/Eoff有影響嗎？

 

圖8：不同Vge電壓對650V/S5/50A+Rapid1/50A開(kāi)關(guān)特性的影響

 

圖9：不同Vge電壓對650V/S5/50A+SiC/G6/SBD/40A開(kāi)關(guān)特性的影響

 

在圖8和圖9中，虛線(xiàn)表示Vge=15V/0V，而實(shí)線(xiàn)表示Vge=15V/-8V；粗略來(lái)看，對Eon的影響可以忽略，而對Vge的負壓，可以減少Eoff差不多有50%（以Vce尖峰作為代價(jià)）。仿真雖然無(wú)法定量，至少可以定性地提醒大家，在設計與實(shí)測的時(shí)候，不要隨意忽視Vge對開(kāi)關(guān)特性的影響，尤其是快速型的IGBT。

 

期望上述的仿真分析，對大家深入理解650V混合SiC的開(kāi)關(guān)特性有所幫助。

 

來(lái)源：英飛凌科技大中華區

 

 

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