理想半導(dǎo)體開關(guān)的挑戰(zhàn)
在最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)中,開關(guān)速度是最顯眼的屬性,但是在實(shí)際電路中,高邊緣速率會造成獨(dú)有的問題。本博客將講解這個問題和簡單的解決方法。
自從IBM于1958年設(shè)計了第一個管以“開關(guān)模式供電”后,功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計師們就一直夢想擁有沒有導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗的理想開關(guān)。當(dāng)然,所有開關(guān)技術(shù)都降低了開態(tài)損耗,而且借助最新的寬帶隙半導(dǎo)體,750V額定值的器件現(xiàn)在可以將電阻降低到6毫歐以下。這些技術(shù)尚未達(dá)到物理極限,因此預(yù)計該值還可進(jìn)一步降低。在當(dāng)今的高性能功率設(shè)計中,邊緣速率(V/ns)有所升高,從而降低了開關(guān)損耗,因而可以實(shí)現(xiàn)更高的頻率、更小的磁性元件和更高的功率密度。然而,這些快速邊緣速率提高了造成電磁干擾設(shè)計相關(guān)問題的可能性,這些問題會與電路寄生效應(yīng)交互,還會造成不想要的振蕩和電壓尖峰。借助良好的設(shè)計實(shí)踐,這些問題可以使用小緩沖電路解決。
實(shí)際電路中的高電流邊緣速率會導(dǎo)致電壓尖峰和振鈴
那么,這個問題有多嚴(yán)重呢?如果我們看到速率達(dá)到3000A/μs,也就是典型的碳化硅開關(guān)值,那么根據(jù)熟悉的E=-Ldi/dt公式,僅100nH連接電感或漏電電感就會產(chǎn)生300V尖峰電壓。100nH僅僅是幾英寸PCB印制線的電感或者變壓器漏電電感的真實(shí)值,因此,這種情況就是通常是會看到的真實(shí)情況,而且可能需要一個好示波器才能看到整個電壓瞬態(tài)。不過該開關(guān)在看到瞬態(tài)方面沒有問題,而且如果它超過額定雪崩電壓能量,則會立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在任何電路電容下,該尖峰都會振鈴,從而讓測量的電磁干擾釋放達(dá)到峰值。一個補(bǔ)救措施是嘗試降低電路電感,但是這通常不是實(shí)際操作中的選擇。除此以外,還可以大幅降低該開關(guān)的電壓,代價是影響成本和導(dǎo)通電阻,也可以使用串聯(lián)柵極電阻放緩邊緣速率。這個儀器并不敏感,它延遲了波形,從而通過限制占空比限制了高頻運(yùn)行,還提高了開關(guān)損耗,同時不影響振鈴。緩沖電路可以允許快速開關(guān),而且會減小尖峰和抑制振鈴。在過去的大電容器和大功率電阻時代,例如與IGBT一起使用時,這看上去像是一個“暴力破解”方法,用于嘗試降低大“尾”電流效應(yīng)。然而,對于SiC FET等開關(guān)而言,這是一個非常高效的解決方案。在這種情況下,主要使用緩沖電路抑制振鈴,同時限制峰值電壓,而且因?yàn)槠骷娙莘浅5?,振鈴頻率高,所以只需要使用一個非常小的緩沖電路電容器,通常為200pF左右,并使用幾歐姆的串聯(lián)電阻。和預(yù)期一樣,電阻會耗散部分功率,但是它實(shí)際上會通過限制硬開關(guān)和軟開關(guān)應(yīng)用中的電壓/電流重疊來降低關(guān)閉損耗。
在高負(fù)荷下使用緩沖電路可提升整體效率
在打開時,緩沖電路會耗散額外的能量,因此需要考慮總損耗E(ON)+ E(OFF)才能公正地評估它的好處。圖1將一些測量值代入E(TOTAL),以體現(xiàn)40毫歐SiC FET在40kHz下的運(yùn)行狀況,考慮了三種情況:無緩沖電路,RG(ON)和RG(OFF)為5歐姆(藍(lán)線);200pF/10歐姆緩沖電路,RG(ON) = 5歐姆,RG(OFF) = 0歐姆(黃線);無緩沖電路,RG(ON) = 5歐姆,RG(OFF) = 0歐姆(綠線)。從中可以看出E(TOTAL)非常低,但是振鈴過高,因而不可行。在電流大的情況下,使用緩沖電路的好處很明顯,與僅調(diào)整柵極電阻相比,在40A下的耗散降低約10.9W。在輕負(fù)載下,緩沖電路的整體損耗較高,但是在這些條件下,系統(tǒng)耗散很低。
【圖1:使用小緩沖電路時的能量節(jié)約】
圖2顯示的是使用緩沖電路降低振鈴的效應(yīng)。
【圖2:使用小緩沖電路顯著降低了振鈴,同時降低了整體耗散,關(guān)閉延遲時間也縮短了】
緩沖電路易于實(shí)施
綜上所述,緩沖電路是一個好解決方案,但是切實(shí)可行嗎?在實(shí)踐中,獨(dú)立的緩沖電路電阻耗散的熱量不到1瓦,而且可以是小型的表面安裝器件。電容器需要高額定電壓,但是電容值低,因此體積也小。SIC FET的導(dǎo)電損耗和動態(tài)損耗都低,接近理想開關(guān),而且只需增加一個小緩沖電路,它就可以發(fā)揮全部潛力,且不會造成過高的電磁干擾或電壓應(yīng)力問題。更“完美”的是,SiC FET的柵極驅(qū)動簡單,整體二極管損耗低,且到外部散熱片的熱阻低。還有什么理由不喜歡它呢?