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仿真看世界之SiC单管的开关特性

原创张浩英飞凌工业半导体

特别提醒

仿真只是工具,仿真无法替代实验,仿真只供参考,一 切以实际测量为准。

研发不仅是脑力活,也是体力活,搞过电力电子的同学想必深有体会。

如果大家山重水复于研发日常的拧螺丝、焊板子、测电路、打波形、调参数、堆代码、写文档,不妨打开手机,进入英飞凌公众号,随我们一起看看仿真世界里的柳暗花明。

因此,英飞凌官网上线了全线SiC单管的SPICE模型,以便大家在实验之余,利用SIMetrix或LTsipce等工具进行器件应用的相关仿真。

这一次,我们将利用SIMetrix SPICE仿真,一窥SiC单管的开关瞬间。

如下图1是今年英飞凌新推出的一颗TO-247-3封装的1200V/45mΩ的SiC MOSFET单管。假定该器件焊到PCB后,其管脚到器件内部芯片栅极、漏极和源极的杂散参数如下图所示,其中VD1_Q1、VG1_Q1和VS2_Q1表示器件Q1外部管脚测到的信号,VD0_Q1、VG0_Q1和VS0_Q1表示器件Q1内部芯片的信号,芯片Q1内包含寄生电阻Rgint=4Ω。

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1 SiC单管

为了研究该SiC MOSFET单管的开关瞬间特性,我们搭建了双脉冲仿真电路,如下图2:

图片2.png

2 SiC单管双脉冲仿真电路

Q1/Q2皆为上述SiC MOSFET单管,其中下管Q2进行双脉冲开关,上管Q1维持关断电平。驱动部分的默认设置为VGS=+15V/0V,Rgon=2Ω,Rgoff=2Ω。

鉴于器件内部寄生参数的客观存在,在器件管脚处测得的信号不能真实反映芯片内部的电压变化,以下管Q2开关为例,如下图3所示:

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3 下管Q2的器件参数与驱动电路

从器件外部管脚测到的VGS电压为绿色的“VG1_Q2-VS2_Q2”,而器件内部芯片的VGS电压为蓝色的“VG0_Q2-VS0_Q2”,显然,两者波形是有所差异的,如下图4和图5:

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4 Q2开通时的器件内外的栅极电压

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5 Q2关断时的器件内外的栅极电压

究其原因,则是栅极与源极之杂散电感作祟,尤以源极处为甚,具体如图6:

其中,绿色为外部栅极电压(VG1_Q2-VS2_Q2),蓝色为芯片栅极电压(VG0_Q2-VS0_Q2),红色为芯片+栅极电感的栅极电压(VG1_Q2-VS0_Q2),而蓝色与红色差异很小。所以,在器件外部看到的栅极电压振荡,主要来自源极电感的影响。

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6 不同位置门极电压VGS

因此,后续分析将重点聚焦芯片内部之不可测的栅极电压,而非管脚处之可测非真实者。

下管Q2双脉冲动作时,观测上管Q1的相关波形,如下图7所示:

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7 下管Q2开通瞬间的上管Q1波形

可以看到,在Q2开通瞬间,Q1在器件外部管脚VGS(绿色: VG1_Q1-VS2_Q1)和芯片VGS(蓝色: VG0_Q1-VS0_Q1)的差异很大,这是为什么呢?

为了便于分析,我们抓取了Q1的电流Id_Q1(电流正方向: 红色方向)和芯片的栅漏极电压(米勒电压: VD0_Q1-VG0_Q1),以及源极电感电压(红色: VS0_Q1-VS2_Q1),如下图8所示;

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8 器件内外VGS电压、源极电感电压、源极电流与米勒电压的波形(3pin)

如上:Q1内部的芯片VGS电压,是源极电感的电压激励源和米勒电容处的电流激励源,两者共同影响的结果。其中:由米勒电压(蓝色: VD0_Q1-VG0_Q1)产生的米勒电流,会抬高Q1栅极电压以增加寄生导通的风险,其影响是单调的;而源极电感电压(VS0_Q1-VS2_Q1)会呈现先正后负的突变特性,是因为源极电流Id_Q1在续流和反向恢复阶段的电流di/dt极性突变,其前半部分对Q1内部栅极电压(蓝色: VG0_Q1-VS0_Q1)有明显的抑制作用,而后半部分则反之。

那么,在这个仿真Case(实际应用不一定)中,源极电感or米勒电容,两者影响孰轻孰重呢?

为了研究Q1源极电感的影响,我们维持Q2所有配置不变,以保证相同的开关速度,以及Q1处的dv/dt和di/dt不变,只将Q1器件外部的源极直接连到芯片源极,以屏蔽其对Q1驱动回路的影响,类似TO-247-4pin的原理,其他参数不变,得到仿真波形,如下图9所示:(此时Q1是否寄生导通只有米勒电容的影响)

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9 屏蔽芯片源极电感前 (虚线/3pin)后(实线/4pin)的仿真波形对比

如上:虚线部分为源极改动之前的波形(3pin),实线部分为源极改动之后的波形(4pin)。我们对比改动前后Q1电流Id_Q1(红色: Id_Q1)、米勒电压VDG (蓝色: VD0_Q1-VG0_Q1)和芯片VGS波形(蓝色: VG0_Q1-VS0_Q1),发现两者有明显区别。

为了进一步验证,我们把驱动电压VGS从+15V/0V改为+15V/-3V,其仿真波形结果如图10所示。同样改动Q1源极电感的位置以模拟3pin/4pin,可以看到电流Id_Q1和米勒电压VDG波形实线(4pin)和虚线(3pin)重合,相同的结论是:4pin的芯片VGS电压比3pin的稍微高一点。

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10 调整VGS电压后,屏蔽源极电感前 (虚线/3pin)后(实线/4pin)的仿真波形

 

特别备注

以上仿真,只借鉴其定性之趋势,不深究其定量之判定。实际应用,须以实测为准。

仿真的世界很奇妙,希望大家在劳累躬亲的实验之余,打开电脑跑个仿真泡杯茶,享受片刻的科研悠闲时光。


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