栅极环路电感对SiC和IGBT功率模块开关特性的影响分析

本小节分析了不同栅极环路电感(L_G)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

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E_off和E_rr较高时导致较低的E_on。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（R_G）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R_G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R_G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R_G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。