仿真看世界之650V混合SiC单管的开关特性

2021-08-31 13:39:13 来源:英飞凌科技大中华区应用工程师 张浩
前言背景:
英飞凌最近推出了系列650V混合SiC单管(TO247-3pin和TO-247-4pin)。用最新的650V/SiC/G6/SBD续流二极管,取代了传统Si的Rapid1快速续流二极管,配合650V/TS5的IGBT芯片(S5/H5),进一步优化了系统效率、性能与成本之间的微妙平衡。

 

IGBT混搭SiC SBD续流二极管,在硬换流的场合,至少有两个主要优势:
  • 没有Si二极管的反向恢复损耗Erec
  • 降低30%以上IGBT的开通损耗Eon
因此,在中小功率光伏与UPS等领域,IGBT混搭SiC SBD续流二极管具有较高性价比。

此次,我们将利用英飞凌强大且丰富的器件SPICE模型,同样在Simetirx的仿真环境里,测试不同类型的续流二极管,对IGBT开通特性及Eon的影响。

特别提
仿真无法替代实验,仅供参考。

选取仿真研究对
IGBT650V/50A/S5、TO247-4pin(免去发射极电感对开通的影响)
FWD650V/30A/50A Rapid1二极管和650V/20A/40A SiC/G6/SBD二极管
Driver IC1EDI20I12AF驱动芯片,隔离单通道,适合快速IGBT和SiC驱动

搭建仿真电
如下图1所示,搭建了双脉冲仿真电路,温度设为常温。

驱动回
驱动芯片(1EDI20I12AF),对下管Q1(IKZ50N65ES5)门级的开关控制,与上管D1续流二极管进行换流。参照Datasheet的条件,驱动IC原边5V供电及5V的控制信号,驱动IC输出的驱动电压15V/0V给到Q1的门级,驱动电阻Rgon和Rgoff都设置为23.1Ω,再假设20nH左右的门级PCB走线电感。

主回路部
设置母线电压400V,在器件外的上管、下管和母线附近各设置10nH,总共30nH(参照规格书中的双脉冲测试条件,Lσ=30nH)。根据仿真中的驱动脉冲宽度与开关电流要求,设置双脉冲的电感参数。
 
1:双脉冲仿真电路

仿真结果分
根据上述电路,通过选取不同的续流二极管D1的型号进行仿真,对比观察Q1的IGBT在开通过程的变化。如图2和图3所示,在IGBT的开通过程中,当续流管D1的型号从650V/50A/Rapid1切换到650V/40A/SiC/G6/SBD后,开通电流Ic的电流尖峰(由D1的反向恢复电荷Qrr形成),从虚线(50A/Rapid1)的巨大包络,显著变为实线(40A/SBD)的小电流过冲;同时电压Vce在第二段的下降速度也明显加快,使得电流Ic与电压Vce的交叠区域变小。因此,体现在开通损耗Eon上,前者虚线(50A/Rapid1)为Eon=430uJ,降为实线(40A/SBD)的Eon=250uJ,占比为58%,即Eon降幅约40%。
 
2:双脉冲仿真开关特性波形(650V/50A/Rapid1)
 
3:双脉冲仿真开通波形对比(Rapid1/50A VS SiC/G6/SBD/40A)
 
4:双脉冲仿真开通波形对比(不同电流规格二极管的对比)

为了进一步验证二极管D1的影响,分别用两种不同电流进行横向对比。由上述图4的仿真结果可见:同为650V/SiC/G6/SBD二极管的Qrr本身很小,不同电流规格(40A和20A),其Ic电流尖峰和开通损耗Eon都很接近。相对而言,50A和30A的650V/Rapid1的二极管,才能体现出一定的差异。

以上仿真是在门级电阻Rgon=23.1Ω、驱动电压Vge=15V/0V和外部电感Lσ=30nH的条件下进行的,如果采用不同门级电阻Rgon=18Ω或35Ω、Vge=15V/-8V和不同外部电感(如Lσ=15nH)时,从Rapid1/50A到SiC/G6/SBD/40A,IGBT开通损耗Eon的变化趋势又将如何呢?
 
5:门级电阻Rgon18Ω35Ω时,SiC/G6/SBD/40AEon的影
 
6:外部电感Lσ=15nHSiC/G6/SBD/40AEon的影
 
7:在门级电压Vge=15V/-8VSiC/G6/SBD/40AEon的影
 
由上述几组仿真结果来看,在一定门级电阻Rgon范围,一定外部电感条件Lσ,以及不同门级电压Vge时,均可以看到650V/40A/SiC/SBD二极管,给IGBT开通带来约50%左右的Eon损耗降低。
文章最后,我们再讨论一个问题:选择Vge=15V/0V与Vge=15V/-8V,对650V/50A/S5的TO247-4pin的单管的开关损耗Eon/Eoff有影响吗?
 

8:不同Vge电压对650V/S5/50A+Rapid1/50A开关特性的影
 
9:不同Vge电压对650V/S5/50A+SiC/G6/SBD/40A开关特性的影

在图8和图9中,虚线表示Vge=15V/0V,而实线表示Vge=15V/-8V;粗略来看,对Eon的影响可以忽略,而对Vge的负压,可以减少Eoff差不多有50%(以Vce尖峰作为代价)。仿真虽然无法定量,至少可以定性地提醒大家,在设计与实测的时候,不要随意忽视Vge对开关特性的影响,尤其是快速型的IGBT。

期望上述的仿真分析,对大家深入理解650V混合SiC的开关特性有所帮助。

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