【经验】针对基于SiC MOSFET设计的ANPC电路的寄生导通问题的解决方案

时间： 2019-04-30 来源：Vincotech

代理服务

技术支持

批量订货

VINCOTECH碳化硅（SiC） MOSFET能够满足1500V太阳能逆变器的高开关速度、高系统效率要求，可实现高集成度和高功率密度，但在开关性能方面仍有不足之处，即存在寄生导通问题。《基于SiC MOSFET设计的ANPC电路，其低侧MOSFET的双脉冲测试结果及原因分析》一文对该问题的根本原因进行了分析，本文主要介绍该问题的解决方案及方案可行性。

1、米勒箝位电路

在MOSFET的栅极驱动器上安装外部米勒箝位电路，该电路的效果取决于电路与MOSFET之间的电感值，以及MOSFET的内部栅极电阻。在本文所讨论的电路中，栅极环路的电感（包括模块的引脚、接合线以及PCB的铜走线）低于4nH，因此米勒箝位电路的效果受限于MOSFET的内部栅极电阻，栅极电阻越大，电路发挥的作用越小。本文所讨论的电路中栅极电阻达几欧姆，能够阻止电荷移动。

2、负的栅极偏置电压

增加负的栅极偏置电压，直至检测不到寄生导通。然而，大部分供应商都将最大的负栅极电压限制在了-5V左右，这其中还包括所有的瞬变。根据经验，在MOSFET关断时会产生一个负的电压尖峰，这个尖峰也限制了静态负栅极电压的取值（因为两者之和不能超过负栅极电压的最大额定值）。因此该方案是不可行的。

若负电压尖峰超过了给定的保证器件可靠性的限值，将会导致栅极氧化物降解，使MOSFET的阈值电压降为0，从而影响MOSFET的长期可靠性。

图1 低侧SiC MOSFET的关断波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=-6/16V）

3、带分离输出的ANPC（有源中点箝位）电路

将高侧MOSFET电路和低侧MOSFET电路分成两部分，两者间接一个分离电感（以模块引脚的杂散电感作为分离电感，无需额外增加组件）。在两个MOSFET上增加二极管，以保证电路的正常功能（如图2所示）。分离电感使开关的输出电容失效，从而避免受到高dV/dt的影响，防止米勒电容引起的充电电荷注入栅极。该解决方案可以减小图3中的第二个电流峰值，但不能完全消除它。

图2 带分离输出的ANPC电路

图3 增加50nH分离电感后的低侧SiC MOSFET的导通波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=0/16V）

4、带分离输出、外加栅极电容的ANPC电路

基于前述的第3种方案，再在MOSFET的栅极和源极间接一个电容（如图4所示），就能完全消除米勒效应所带来的影响。从图5可以看到，第二个电流峰值消失了，表明这种方案能够防止寄生导通。栅极电容降低了dV/dt，也有助于减少EMC。

图4 带分离输出、外加栅极电容的ANPC电路

图5 增加50nH分离电感、10nF栅极电容后的低侧SiC MOSFET的导通波形（浅蓝色代表U_ds，深蓝色代表I_ds，黄色代表U_gs；U_dc=600V，I_ds=140A，T_j=150℃，V_g=0/16V）

5、智能栅极驱动器

当米勒电荷涌入栅极时，智能栅极驱动器可动态地泄放栅极电压，使之达到一个更低的负值；当高dV/dt通过半桥结构的中点后，需要将栅极电压恢复至标称值。图1中的负栅极电压尖峰，可以作为负的栅极偏置电压。当一侧MOSFET的栅极电压处于最低负值时，导通另一侧MOSFET，此时因米勒效应而加在MOSFET栅极上的电压会使最终的栅极电压增大，但其绝对值不会达到导通阈值（如图6所示）。图中高侧MOSFET的栅极电压是用一个差分探头测量的，所以在图中可以看到低侧MOSFET开关时产生的电容电流对测量结果的影响。

图6 使用智能栅极驱动器时高侧MOSFET和低侧MOSFET栅极的波形图

使用智能栅极驱动器也许是解决寄生导通问题的可行方案，但是驱动的时间点还需要优化，方案的长期可靠性和有效性也有待验证。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本文由宝丁翻译自Vincotech，版权归世强硬创平台所有，非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明“来源：世强硬创平台”。

全部评论（0）

暂无评论

【经验】基于SiC MOSFET设计的ANPC电路，其低侧MOSFET的双脉冲测试结果及原因分析

Vincotech 碳化硅（SiC） MOSFET能够满足1500V太阳能逆变器的高开关速度、高系统效率要求，可实现高集成度和高功率密度，但在开关性能方面仍有不足之处。本文基于SiC MOSFET设计的ANPC电路，介绍其低侧MOSFET的双脉冲测试结果及原因分析。

2019-04-29 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【经验】电动汽车充电器应用中DC-DC转换器的基准系统架构和拓扑选择

电动汽车是未来道路交通的主流，但其充电时间和基础充电设施的建设和选择是一大难题。本文中vincotech研究了非车载充电器的核心——DC-DC转换器上的多种系统架构和拓扑，结果是650V快速IGBT带双H桥配置在成本和效率方面均表现出色；如果即使在部分负载下应用也需要非常高的效率，则1200V SiC MOSFET和650V Si MOSFET是不错的选择。

2019-12-31 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【经验】Vincotech功率半导体模块中使用SiC组件时如何提高效率和开关频率？并同时减少损耗

Vincotech功率半导体模块中使用SiC组件时如何提高效率和开关频率的问题，同时减少太阳能逆变器等苛刻应用中的损耗。这些功率模块专门用于满足这些应用对于对称控制、散热和低电感连接的苛刻要求。除了用于比较的flowBOOST 0 SiC模块外，Vincotech正在加大新型flow3xBOOST 0 SiC的批量生产。

2019-09-04 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【方案】30~80kW组串式光伏逆变器优选器件方案

描述- 该方案针对30~80kW的组串式光伏逆变器，采用多路BOOST升压电路，减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加发电量。逆变侧采用T型三电平拓扑，开关频率支持16kHz（最佳频率点），效率最高可达98.54%。辅助电源采用1700V耐压SiC MOSFET，单端反激电源可直接应用在1000V母线系统。同时，在BOOST升压电路和逆变电路中均采用IGBT模块设计，集成度更高。

型号- MKS4J022202D00MSSD,10-FZ12NMA080NS03-M260F,0505025.MX52LEP,TFLEX HD300,BGM111,C2M1000170D,EFR32MG13P732F512GM48-C,RBN75H125S1GP4-A0,10-FY12NMA160SH01-M820F18,KT05,PS9402,SGM6022,MLX91208,28R1101-000,28R0610-000,30-FT12NMA160SH-M669F28,PS9031,LSIC2SD120E30CC,30-FT12NMA200SH-M660F08,LXXXX 15.00/05/90 4.5SN GR,28R1476-100,92ML,LX 15.00/05/90 4.5SN GR BX,MKS4J033305D00KSSD,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,28R1953-000,PS9531L3,SI86XX,28B0141-000,WDU50N,SGM6032,WGM110,R5F56514FDLJ,C4D30120D,WDU70N,RBN40H125S1GPQ-A0,C2M0080120D,V23990-P629-L43,SGM2019,LSIC1MO120E0080,SID11X2K,SI8261BCD-C-IS

WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,WIMA,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,WOLFSPEED,PI,ROGERS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案 - V2.1

【选型】 IGBT-SiC与IGBT-Si效率、损耗、成本对比分析

本文将分析Si和SiC器件应用于升压功率模块，对效率和损耗的影响，并最终影响整体成本。本文将以光伏系统一个基本的350V输入700V输出的升压拓扑电路为例，通过Vincotech公司仿真软件ISE进行计算，获得两种材料在不同工作点下的效率和损耗数据，然后对比并分析数据。

2019-05-18 - 器件选型代理服务技术支持批量订货

10-EZ12B2A032ME-LQ17L18T规格书

描述- 本资料为Vincotech公司生产的10-EZ12B2A032ME-LQ17L18T型号SiC MOSFET模块的数据手册。该模块适用于充电站、储能系统、电源供应、太阳能逆变器、不间断电源（UPS）和焊接/切割等领域，具有高阻断电压、低导通电阻和高速度SiC-MOSFET技术等特点。

型号- 10-EZ12B2A032ME-LQ17L18T-/3/,10-EZ12B2A032ME-LQ17L18T

30 Jul. 2024 - VINCOTECH - 数据手册 - Revision 1 代理服务技术支持批量订货

【技术】三电平SI IGBT和两电平SiC模块联手实现高效整流逆变

将SiC和三电平IGBT配合使用，将SIC的MOSFET用于前端的PFC电流中，三电平IGBT可以用于逆变中，这样更能提高整个系统的效率。

2016-02-26 - 原厂动态

【产品】1200V/65A Sixpack SiC功率模块10-PY126PA020MR-L227F28Y

Vincotech公司推出SiC功率模块10-PY126PA020MR-L227F28Y，属于flowPACK 1 SiC产品系列，1200V/ 65A，采用Sixpack拓扑结构和SiC MOSFET芯片技术，封装尺寸82 mm x 37.4 mm x 12 mm，可用于充电器。

2019-12-07 - 新产品代理服务技术支持批量订货

10-EZ126PB032ME-LS18F08T规格书

描述- 本资料详细介绍了Vincotech公司生产的10-EZ126PB032ME-LS18F08T SiC MOSFET模块，包括其拓扑结构、组件特性、封装特性、最大额定值、模块特性、隔离特性、特性值、热特性、开关特性、热敏电阻特性、逆变器开关特性、开关定义、订购代码、标记、轮廓、引脚分配、封装说明、处理说明、包装数据、UL认可和文件编号、文档编号、日期、修改和页数等信息。

型号- 10-EZ126PB032ME-LS18F08T-/7/,10-EZ126PB032ME-LS18F08T,10-EZ126PB032ME-LS18F08T-/3/

26 Mar. 2024 - VINCOTECH - 数据手册 - Revision 2 代理服务技术支持批量订货查看更多版本

【产品】全新三电平ANPC拓扑功率模块flowANPC 1系列，击穿电压高达2400V

flowANPC 1系列是Vincotech推出的三电平中性点钳位功率模块，采用了SiC MOSFET芯片技术，具有低导通电阻，可广泛应用于太阳能逆变器中

2018-07-28 - 新产品代理服务技术支持批量订货

【方案】125kW（1500VDC系统）光伏逆变器优选器件方案

描述- 本方案基于 1500VDC 系统，提出了在 BOOST 电路采用高集成度对称式 BOOST 模块，内置全 SiC MOS 和二极管，以提高开关频率和减小升压电感体积。在逆变电路采用 NPC 拓扑结构，耐压高达 2400V，在满足1500V 系统耐压需求的基础上，采用了低耐压的 IGBT，实现了较高的开关频率，有利于光伏逆变器实现更高的效率和更小的体积。

型号- TFLEX HD300,C3M0065090D,C2M1000170D,10-F124NID150SH03-LG18F98,10-F124NIE150SH03-LG28F98,RA-8565SA,PS9402,MLX91208,10-F124NIX150SH03-LGX8F98,28R1101-000,28R0610-000,LSIC2SD120E30CC,28R1476-100,92ML,TPCM780,RC12-6-01LS,SMBJ18CA,KT05-1A-BV88622,28R1953-000,28B0141-000,WGM110,R5F56514FDLJ,WM 4C,C4D30120D,10-FY09S2A065ME-L869L08,SID1152K,SI8621BD-B-IS,SI8261BCD-C-IS,SID11X2K

WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,CREE,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,EPSON,PI,ROGERS,MELEXIS - 优选器件方案 - V1.1

10-FY126PA042ME-L226F68规格书

描述- 本资料详细介绍了Vincotech公司生产的10-FY126PA042ME-L226F68型号的SiC MOSFET器件。该器件具有1200V的阻断电压和42mΩ的导通电阻，适用于电梯驱动等应用。资料中包含了器件的拓扑结构、组件特性、封装特性、目标应用、最大额定值、特性值、热特性、隔离特性、开关特性、热敏电阻特性、逆变器开关特性、引脚图、封装指令和操作说明等信息。

型号- 10-FY126PA042ME-L226F68,10-FY126PA042ME-L226F68-/3/,10-FY126PA042ME-L226F68-/7/

30 Apr. 2024 - VINCOTECH - 数据手册 - Revision 1 代理服务技术支持批量订货

【产品】开关频率超100KHz的SiC三相逆变器模块

flow3xPHASE 0 SiC采用3x BUCK/BOOST拓扑结构，更高的效率和更低的发热量。

2017-05-26 - 新产品代理服务技术支持批量订货

10-EY122PA008ME-LU38F08T规格书

描述- 该资料详细介绍了Vincotech公司生产的10-EY122PA008ME-LU38F08T型号的SiC MOSFET器件。该器件具有1200V的阻断电压和8mΩ的导通电阻，适用于充电站、储能系统、电源、太阳能逆变器、焊接和切割等应用。

型号- 10-EY122PA008ME-LU38F08T-/3/,10-EY122PA008ME-LU38F08T,10-EY122PA008ME-LU38F08T-/7/

12 Apr. 2024 - VINCOTECH - 数据手册 - Revision 2 代理服务技术支持批量订货

【方案】100KW电动汽车电机驱动优选元器件方案

描述- 本方案采用Vincotech的E3系列IGBT模块、Power Integrations的隔离驱动、Melexis的电流传感器和Littelfuse的SIC MOSFET等器件组成的电机驱动电路，同时配备蓄电池备用辅助电源，实现大功率电机驱动安全高效、节能环保的目的。

型号- SMCJ24CA,LSIC1MO170E1000,L50QS200.V,A0-VS122PA600M7-L759F70,R7F701271EAFP#YK1,TFLEX HD300,EKXJ451ELL470ML25S,TPCM780,SGM2036-3.3YN5G/TR,SID1182KQ,SI8621BD-B-ISR,MLX91208LDC-CAL-000-SP

NIPPON CHEMI-CON,RENESAS,VINCOTECH,LITTELFUSE,PI,LAIRD,SILICON LABS,MELEXIS,SGMICRO - 优选器件方案