【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

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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。

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【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

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

【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。

器件选型发布时间 : 2019-05-18

VINCOTECH-SiC功率模块选型表

VINCOTECH提供以下技术参数的SiC功率模块产品选型，VOLTAGEIN：600-1700V，CURRENTIN：10-600A

产品型号	品类	SUB-TOPOLOGY	PRODUCT LINE	VOLTAGEIN（V）	CURRENTIN(A)	MAIN CHIP TECHNOLOGY	HOUSING FAMILY	HEIGHTIN（mm）	ISOLATION
10-EY122PA005ME-LU39F08T	SiC功率模块	Half-Bridge-NTC	flowDUAL E2 SiC	1200	300	SiC MOSFET	flow E2	12	Al2O3

选型表 - VINCOTECH 立即选型

【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。

新产品发布时间 : 2019-12-07

NOVOSENSE Automotive Solution Enable the Electrification and Intellectualization of xEV

型号- NSI6602,NSI1311,NSE34050D-Q1,NCA1051,NSI6601,NSCSA2XX,NSR35XXX-Q1,NSI7258,NSM2013,NSD360X,NSM2015,NSC9260X,NSM2011,NSIP9XXX,NSC9262,NSI1300,NSD1025V,NSC9264,NSPAQ1,NSREF31XX,NSD12409-Q1,NSR2240X,NSP1830,NCA1042,NCA1043,NSD12416-Q1,NSOP905X,NSR7808,NSOPA240X,NCA1021S-Q1,NSD56008-Q1,NSE11409,NSP1831,NSP1832,NSM2020,NSR31,SPGM1,NSD7312,NSL2163X,NSR35,NSR33,NSD7315,NSOPA8XXX,NSD731X,NSD8308,NPC0X0N120,NSE11409-Q1,NSREF30/31XX,NSI826X,NSD8308-Q1,NSE34050,NSD11409,NSM201X,NSPDC1,NSR31XXX,NCA1021S,NSI1300D05,NSD10151,NSREF432,NSREF431,NSD1224,NSOPA801X,NSD83010-Q1,NSI6651,NSD11416,NCA1051A,NSD11416-Q1,NSUC1602,NSR31XXX-Q1,NSR33XX,NSE34050Q-Q1,NST1001,NSD56008,NSM3011,NSI82XX,NSL2363X,NSM3012,NSL21912,NSL2161X,NSI6801,NPC0X0N065,NSUC1610,NCA10XXA,NSD5604-Q1,NSI824X,NCA10XXB,NSD8306-Q1,NSM203X,NSI1300D25,NSL216XX,NSIP605X,NSD5604,NSOPA9XXX,NSR114XX-Q1,NSP1631,NSP1632,NSD12409,NSD83012-Q1,NSP1630,NSPASX,NSE425X,NCA102,NSI1624,NSE34050S-Q1,NSM1013,NSI8241WX,NSR33XXX-Q1,NSI6622,NSI822X,NSA9264,NCA1042B,NSD8381-Q1,NSD12416,NSPGM2,NSPGM1,NSIP6051,NSM101X,NSI6602V,NSD3608,NSIP6055,NSD3604,NSD3602,NSREF30XX,NSI6611,NSPAS1,NSPAS3,NCA1145,NSR31XX,NCA1043B,NSI6601M,NSR35XX,NSPAQX,NSAD795X,NSA9260X,NCA8T245,NSR114XX,NSR114X

应用及方案 - 纳芯微电子 - December 2023 PDF 英文下载

Stepping up to Peak Performance and Efficiency with Vincotech‘s SiC-driven Power Modules

With Vincotech‘s SiC-based power modules for charging stations, solar inverters, and other applications, you get the best of both. They let you supercharge performance and streamline designs.

产品发布时间 : 2023-12-01

【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。

原厂动态发布时间 : 2016-02-26

【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

新产品发布时间 : 2018-07-28

Vincotech’s 70A flowPACK 1 SiC Modules Featuring Ultra-fast 900V SiC MOSFET for up to 400kHz switching frequency

The Vincotech flowPACK 1 SiC is faster than 1200 V SiC MOSFETs, safer than 650 V MOSFETs, and perfect for charging stations that require soft-switching for LLC topology. This 3xhalf-bridge achieves the efficiency you need at nominal and partial loads.

产品发布时间 : 2023-10-31