由于快速的開關，傳導損耗和擊穿電壓的增加，在現代工業應用中增加了SiC MOSFET的使用。通過最快速的開關速度和更高的頻率賦能，該框架減小了尺寸并提高了系統效率。大功率SIC MOSFET模塊是驅動電機系統中Si IGBT的可接受替代品。dV / dt較高會在逆變器和電動機彼此遠離的情況下由于反射波而給電動機繞組保護帶來額外的負載，這在大多數驅動電動機應用中非常常見。1由于切換速度更快，即使使用短電纜，在不同應用中也需要dV / dt濾波器。可以為SiC MOSFET精確設計輸出濾波器。2個IGBT開關的性能隨電流水平而變化。相比較而言，電纜的長度對開關裝置3的影響很大。SiC MOSFET表現出對電流狀態的更高依賴性，并且隨著長度變化而擴大了變化范圍。為了獲得更高的開關頻率，應簡化連續導通和截止相臂之間的控制死區時間（T d），以在控制性能和模塊保護之間保持最佳平衡。4尚未充分探討電纜長度和輸出濾波器對SiC MOSFET的開關性能以及以Si IGBT性能為基準的影響。4在簡單的工程中修改控制死區時間的能力至關重要。在用于控制新一代設計的不同設置情況下，SiC MOSFET的性能會發生變化。電纜和dV / dt濾波器的影響很長，很難重新制定，因為寄生和各種框架布置具有多方面的性質。本文將討論1，200-V 300-A SiC MOSFET的性能，以及通過不同的變量（例如電纜長度，停滯時間和輸出濾波器）對其開關頻率的影響。

實驗裝置

圖1顯示了測試設置的電路圖。雙脈沖測試（DPT）用于檢查當前水平下的開關性能。整個評估過程中使用了無法區分的入口驅動電路。使用500 VDC總線電源，并利用9，200 μF的電解頂庫來保持傳輸電壓。覆蓋的傳輸條有助于將圓形寄生電感最小化。

負載電流水平會影響IGBT和MOSFET的速度。開關是通過對柵極進行充電和釋放來實現的，該柵極依賴于柵極驅動電路和環路電流。在中等或重負載的情況下，MOSFET的開關速度僅取決于柵極驅動電路。5另一方面，在小負載的情況下，來自電源環路的柵極充電或放電電流將變為絕對值，以確定開關速度。

圖1：電路圖

從不同變量切換的影響

負載電流

負載電流的變化對兩個模塊的開關性能顯示出不同的影響。在導通過程中，對電流的開關速度依賴性可以忽略不計，尤其是對于MOSFET，因為在導通過程中它僅下降16％，而在關斷過程中上升到468％。在高負載電流時，這兩個MOSFET和IGBT示出幾乎相同的開關行為，而在低負載電流時，T斷示出了巨大的變化，這是在MOSFET的情況下468％，在IGBT的情況下109％。4現在知道，T off對負載電流的依賴大于T on。本文的其余部分僅關注各種輸出排列方案下的T off變化

2.電纜長度

由于延長了充電和放電持續時間，長距離電纜會增加開關時間。當電纜長度在低電流下增加時，MOSFET T off會增加。當我們降低電流時，電纜的減速效果會更高。相比之下，IGBT在嘗試的電流范圍內顯示出相同的模式。但是，在高電流下，與MOSFET相比，T off表示對電纜長度變化的依賴性更高。延長的電纜長度會在釋放路徑中增加阻抗，并增加了T off在低電流下對電纜長度的依賴。可比現象應在T on也一樣 另一個看法是，與短時和長時應用的IGBT相比，高電流下MOSFET的高開關速度優勢是顯而易見的。

圖2：開關電路設置

3.死區時間優化

在現代驅動電機應用中，當設計基于SiC MOSFET的逆變器時，短路和保護的檢測是另一個重要主題，尤其是在從現有的基于IGBT的Si計劃轉變的過程中。與具有8至10 μs的短路耐受時間的IGBT相比，SiC MOSFET通常具有2 μs以下的耐受時間。6在擊穿之前，SiC MOSFET通常可以承受更高的電流，但是其長期可靠性會變差。

死區時間d d是避免橋穿通的有效策略。對于IGBT，空載時間通常在1至5 μs范圍內，開關頻率為1 kHz至10 kHz。在較低電流下，較慢的關斷（0.4 μs）時間不會引起短路風險。對于SiC MOSFET，開關頻率落在10至50kHz的范圍內，空載時間低于1 μs，以實現出色的控制性能。低電流下較慢的關斷會引起短路危險。

空載時間應根據負載曲線和輸出設置精確平衡。基于模型的死區時間優化5需要更多的硬件推測。此外，由于快速切換帶來的噪聲耦合，難以精確估計來自柵極驅動電路的低壓信號。

至于輸出電纜的效果，情況取決于組件，例如電纜長度，沿這些線的輸出濾波器電容，將它們組合成一種布置并不容易。給定檢查結果，甚至可以得出一些一般準則。電纜長度在影響使用輸出濾波器的時間中起著無關緊要的作用。在大電流情況下，較長的電纜不會影響開關頻率，但會影響小電流操作。電纜規格的大小或長度可用作死區時間優化目的的控制輸入。4

結論

進行了硬件系統測試，以仔細檢查負載電流和電纜長度對SiC MOSFET的影響，并且由于合并輸出排列增量模型的復雜性，Si IGBT關閉了該過程。與Si IGBT相比，SiC MOSFET的關斷時間對隨機流和輸出設計的影響更大。在高電流，電纜長度和濾波器等不同因素的影響下，該設備的關斷變量無關緊要。長電纜會降低低電流下的開關速度。為了補償關斷時間的變化并避免發生短路以獲得良好的控制性能，使用了指數函數模型根據負載電流來驅動T off，從而可以優化T d。，不需要額外的硬件安裝。

參考

1 MJ Scott，J。Brockman，B。Hu，L。Fu，L。Xu，J。Wang和RD Zamora，“使用寬帶隙器件的電機驅動系統中的反射波現象”，在2014年IEEE寬帶隙功率研討會上設備和應用，第164–168頁，IEEE，2014年。

2 R. Ruffo，P。Guglielmi和EG Armando，“用于降低SiC中電機過壓的逆變器側RL濾波器的精確設計。

3 L. Middelstaedt，D。Richter，A。Lindemann和A.Wintrich，“負載電纜配置對IGBT開關特性的影響”，在PCIM Europe 2016上；國際電力電子展覽會和會議，智能運動，可再生能源和能源管理，pp.1-8，VDE，2016年。

4 1200V 300A SiC MOSFET開關性能的表征取決于負載電纜-輸出濾波器和控制死區時間優化于玉佳，Willy Sedano，Peizhong Yi，Lixiang Wei標準驅動部，羅克韋爾自動化6400 West Enterprise Drive，Mequon，美國威斯康星州53092。

5 Z. Zhang，H。Lu，DJ Costinett，F。Wang，LM Tolbert和BJ Blalock，“利用碳化硅半導體的電壓源轉換器的基于模型的空載時間優化”，《電力電子IEEE期刊》，第1卷。32號 11，第8833–8844頁，2016年。

6 S. Ji，M。Laitinen，X。Huang，J。Sun，W。Giewont，F。Wang和LM Tolbert，“ 10 kV SiC mosfet的短路特性和保護”，《 IEEE功率電子學報》，卷 34號 2，第1755–1764頁，2018年。

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