【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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住宅太阳能解决方案

本文介绍了住宅太阳能解决方案，重点讨论了太阳能和储能系统在实现“零碳”住宅和建筑中的关键作用。文章涵盖了太阳能逆变器类型、市场趋势、驱动因素以及Littelfuse推荐的产品和解决方案。此外，还详细介绍了微逆变器、功率优化器和字符串逆变器等不同拓扑结构及其特点。

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2023/12/4 - 应用及方案代理服务技术支持采购服务

【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采购服务

【方案】125kW（1500VDC系统）光伏逆变器优选器件方案

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。

WEIDMUELLER,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,CREE,RENESAS,VINCOTECH,STANDEX-MEDER,II-VI MARLOW,EPSON,PI,ROGERS,MELEXIS - IGBT模块,RTC,WIFI模块,驱动光耦,SIC场效应晶体管,SIC二极管,半导体制冷片TEC,干簧继电器,PCB导热材料,SIC MOSFET,接线端子,导热垫片,单片机,TVS,实时时钟,隔离芯片,相变材料,电流传感器,驱动IC,滤波磁环,MCU,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,光伏系统,1500VDC系统,光伏逆变器

优选器件方案 - V1.1 代理服务技术支持采购服务

10-EZ126PB032ME-LS18F08T规格书

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。

VINCOTECH - POWER MODULES,电源模块,10-EZ126PB032ME-LS18F08T-/7/,10-EZ126PB032ME-LS18F08T,10-EZ126PB032ME-LS18F08T-/3/,伺服驱动器,充电站,ELEVATOR DRIVES,EMBEDDED DRIVES,电梯驱动器,CHARGING STATIONS,SERVO DRIVES,嵌入式驱动器

26 Mar. 2024 - 数据手册 - Revision 2 代理服务技术支持采购服务查看更多版本

【方案】100KW电动汽车电机驱动优选元器件方案

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。

NIPPON CHEMI-CON,RENESAS,VINCOTECH,LITTELFUSE,PI,LAIRD,SILICON LABS,MELEXIS,SGMICRO - IGBT模块,SIC场效应晶体管,导热垫片,保险丝,单片机,TVS,隔离芯片,铝电解电容,LDO,SIC MOSFET,电流传感器,驱动IC,MCU,导热材料,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,电机驱动,水冷式电驱系统,电动汽车电机驱动,汽车电机驱动,电动巴士电驱系统,100KW电动汽车电机驱动

优选器件方案代理服务技术支持采购服务

【产品】超快开关频率的双Booster IGBT模块V23990-P629-L83-PM

Vincotech推出的V23990-P629-L83-PM是拥有超快开关频率以及低电感布局的双Booster IGBT功率模块，该模块由1200V Cree SiC MOSFET和1200V SiC二极管组成。升压开关的漏源电压为1200V，最高结温为175°C，升压二极管的峰值重复反向电压为1200V，重复峰值正向电流为52A。

2019-10-25 - 新产品代理服务技术支持采购服务

10-FY126PA042ME-L226F68规格书

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。

VINCOTECH - POWER MODULES,电源模块,10-FY126PA042ME-L226F68,10-FY126PA042ME-L226F68-/3/,10-FY126PA042ME-L226F68-/7/,ELEVATOR DRIVES,电梯驱动器

30 Apr. 2024 - 数据手册 - Revision 1 代理服务技术支持采购服务

【选型】充电桩DC-DC转换电路拓扑结构该如何选择？

在充电桩应用中，DC-DC转换电路拓扑结构到底应该采用三电平LLC串联谐振全桥？还是采用二电平LLC串联谐振全桥？本文带你探秘。用于DC-DC转换的功率开关器件主要有IGBT，Cool MOS和SIC MOSFET等，它们各有优缺点。Vincotech公司目前推出了基于INFINEON第五代高速H5的IGBT功率模块，其比基于INFINEON第三代高速H3的IGBT功率模块，性能有明显的提高。

2016-05-14 - 器件选型代理服务技术支持采购服务

世强可为30~80kW组串式光伏逆变器供应功率转换单元和辅助电源模块

针对光伏发电系统逆变器，世强元件电商推荐Vincotech的IGBT模块、Renesas的IGBT单管、Wolfspeed的MOSFET、Wolfspeed的SiC二极管、Littelfuse的Sic MOSFET、PI或Silicon Labs的驱动IC、Renesas的驱动光耦、WIMA的滤波电容、Melexis的电流传感器等产品。

2018-06-02 - 器件选型代理服务技术支持采购服务