摘 要：
在高频开关工况下，SiC器件分布参数（电感、电容）间耦合振荡带来的过电压易造成元器件的击穿损坏、引发的电磁噪声会干扰变流器其他部件的正常运行。文章对SiC MOSFET的开关过电压进行了机理分析，特别是杂散电感对其开关特性的影响，对其吸收回路进行了研究，利用开关系统大信号模型等效出脉冲开关系统小信号模型，并依此分析了吸收电容对关断过电压的影响，提出了SiC MOSFET 高频吸收电路的选型方案。仿真和实验结果验证了分析结论的正确性及所提方案的有效性和可行性。
引言
受材料特性影响，目前Si材料半导体器件的开关频率一般在50 kHz以下，且无法承受6500V以上的高压及2000 A以上的大电流。随着技术的不断发展，市场上对功率半导体器件的性能要求在逐步提高，高端的功率器件要在高温（大于125℃）、高压（大于6.5 kV）的环境中保持良好的电学特性，而Si半导体器件受自身阈值电压及开关能力的限制，发展空间在逐步缩小。
变流器单位能量的传输能力和经济性是变流器发展至关重要的目标，其功率密度的提升主要依赖于开关频率的提升。变流器中同等电流和电压能力的主电路元件如电容、电感、变压器或EMI设备，其体积和重量在开关频率提高后都将会大大减小。
SiC器件耐高温、高压，同时由于具有更高的开关频率，因而可提高变流器的功率密度，但变流器的分布参数（电感、电容）成为影响SiC器件提升开关速度的瓶颈。由于分布参数引发的振荡会产生过电压以及电磁噪声，使变流器在高开关频率使用时容易造成元器件的击破或干扰变流器其他部件的运行。
对吸收回路原理和作用进行了研究，但未涉及元器件的开关机理；在时域条件下通过计算、仿真和EMI试验研究了元器件和杂散参数之间的耦合作用，但模型复杂，不适用于如分析直流侧吸收电容抑制高频振荡等更加复杂的情况。本文通过研究SiC MOSFET的开关特性，提出一种SiC MOSFET的开关小信号模型，并在频域条件下研究了杂散参数对器件高频应用的影响、评估了吸收电容对过电压的抑制效果，最后归纳出高频吸收参数的选用法则。
1. SiC MOSFET的开关过电压机理分析
SiC MOSFET开关过程中产生过电压的原因是由于线路的电感电流下降速率di/dt大，感应电压叠加在直流电压两端，致使MOSFET承受过电压。当器件在较高工作频率下关断时，正向电流迅速减小，存在电流突变现象。因此，分析SiC MOSFET典型等效模型中杂散参数对于元器件开关特性的影响十分重要。
1.1 SiC MOSFET的典型等效开关模型
SiC MOSFET系统模型比较复杂（图1），包含3个结电容（其容值是非线性的）和3个端子杂散电感。为了研究回路杂散参数对SiC MOSFET开关过程的影响，利用OrCAD PISPICE软件搭建了典型等效开关模型（图1)。其中，CGD为栅漏极等效电容，CGS为栅源极等效电容，CDS为源漏极等效电容；LGS为门极回路电感，LDS为主开关回路电感，LSS表示两个回路之间的互感；RG为栅极电阻。CGD和CGS与SiC MOSFET器件结构有关，CDS与PN结的特性相关。SiC MOSFET采用Cree公司C2M0080120D型产品，其最大可关断电压VDSS=1200 V，最大关断电流为40 A。由于目前Cree公司无该器件的PISPICE模块，因此本文采用参数与之类似的APT20N60BCFG型Si MOSFET 进行代替。SiC二极管模型采用Cree公司的C3D16060D型SiC二极管的，该器件最大关断电压为600 V，正向导通电流为16 A。仿真模型的基本参数设置为：VGS开通值为20 V、关断值为-5 V，脉冲电压开通脉宽为0.5 μs，负载电感Lload=20 μH，直流电压VDC=400 V，RG=5 Ω，LGS= LDS = LSS =10 nH，CGD= CGS =500 pF，CDS =100 pF，关断电流IDS =10 A。
1.2 LGS 对开关特性的影响
LGS与 回 路 中 的 输 入 电 容CISS（CISS=CGD+CGS）耦合产生共振，引起VGS电压振荡。将LGS分别设置为10 nH，40nH和70nH，图2和图3分别示出SiC MOSFET 开通和关断过程中VDS，VGS和IDS的仿真波形。从关断波形（图2（b）、图3（b））中可知，VGS振荡仅在MOSFET开通瞬间对VDS和IDS有轻微影响，而一旦处于导通状态，VDS和IDS几乎不改变。
1.3 LDS 对开关特性的影响
LDS被分别设定为10 nH，40 nH 和70 nH，其他电路参数不变，对SiC MOSFET 器件脉冲模型进行仿真。图4和图5示出SiC MOSFET 开通和关断过程中VDS，VGS和IDS仿真波形。可以看出，LDS增大后，VDS，VGS和IDS波形在关断过程中振荡加剧，这是因为LDS在开关瞬间与器件结电容耦合，且振荡通过CGD影响栅极回路。
1.4 LSS 对开关特性的影响
LDS被分别设定为10 nH，40 nH 和70 nH，其他电路参数不变，对SiC MOSFET 器件脉冲模型进行仿真。图6为SiC MOSFET 开通和关断过程中VDS仿真波形，图7为SiC MOSFET 开通和关断过程中VGS及IDS仿真波形。由图6和图7可知，在栅极回路至开关回路间LSS起负反馈作用。在IDS的上升和下降过程中，LSS电压的下降减小了VGS变化量从而减缓IDS的波动，LSS增大对VDS振荡无影响，但由于其缓冲作用，LSS增大将增加SiC MOSFET 开通和关断损耗。
2. SiC MOSFET 开关系统模型
综上所述，LDS的存在会加剧VGS和IDS振荡并产生VDS过电压。在实际变流器系统内，由于器件封装和母排连接闭环回路中的杂散电感不可避免，加之SiC MOSFET开关速度较快，因此在设计过程中应注意防范杂散参数导致的关断瞬间过电压高于元件击穿耐压的情况。为此，本文通过研究开关系统大信号模型来研究关断电压波动的形成机理，并通过器件的小信号模型对其关断波动的实质进行研究。
2.1 SiC MOSFET 开关系统大信号模型
图1所示等效电路适用于在时域范围内对SiC MOSFET 关断瞬间的电压、电流进行分析，具有一定的特殊性。为便于分析，本文构建SiC MOSFET 开关系统大信号模型前，对电路进行了简化处理：
（1）由于MOSFET理想开关为硬开关，开关瞬间负载电感电流不发生变化，因此可认为负载电感是一个恒流源。
（2）VDS振荡仅发生在IDS通过电压源（VDC）后，而后SiC二极管正向偏置导通产生电流，开关回路将产生di/dt，此时任何与反并联二极管并联的电容包括其结电容在小信号模型中不起作用。因此，二极管可以等效为一个电压源（VFDW）与反并联二极管电阻（RFDW）相串联。
（3）SiC MOSFET 一旦关断进入饱和区，此时其沟道可以等效为具有一定di/dt的电流源，电流源的大小由开关速度决定。
（4）SiC MOSFET 输出电容COSS容易饱和，与VDS偏置电压关联不大，因此COSS在关断时受VDS的线性偏置影响。
基于以上分析、处理，SiC MOSFET 开关系统大信号等效模型如图8所示。
在PISPICE软件中搭建开关系统典型模型并等效成开关系统大信号模型，仿真波形如图9所示。
利用PSPICE软件对图9所示模型进行仿真来验证模型等效的结果。仿真的基本参数为LDS=23 nH，COSS=400 pF，设置由系统连接母排带来的分布电感分别为Lstray1=10 nH，Lstray2=10 nH，Lstray3=30 nH 及Lstray4=100 nH，分布电容Cdis = 1 μF，直流母线电容Cbulk = 750 μF。图10示出利用开关系统典型模型及其大信号系统模型对VDS进行仿真得到的波形。
可以看出，图10（a）和图10（b）中VDS的幅值近似，图10（a）中的振荡频率为50.6 MHz，图10（b）中的振荡频率为50.5 MHz。这验证了大信号等效模型模拟关断过程的准确性，并证实了开关速度的变化会影响振荡幅度，但不会影响振荡频率。
在构建开关系统大信号模型时，需关注以下方面：
（1）相对于开关系统典型模型，虽然大信号模型里假设了反向并联二极管，但仅适用于dv/dt与di/dt形成过程之后，且该模型仅适用于关断瞬间的振荡部分，并不适用于整个器件的仿真模型；（2）振荡幅值衰减是由于二极管的等效串联电阻引起，而在实际电路中，影响高频振荡频率的因素还有线路连接阻抗，这些阻抗可以归纳到RFWD中。
当开关系统为高阶次系统时，采用大信号系统仿真模型具有一定的局限性，为此我们构建了SiC MOSFET开关系统小信号等效模型。
2.2 SiC MOSFET 电压脉冲小信号模型
根据直流电流源开路以及电压源短路的法则，利用图9构建的开关系统小信号模型等效电路如图11所示，其为RLC并联振荡网络。
由图11可知，VDS波形振荡是在电流源ICH的激励下RLC网络的响应结果。图12为开关系统等效模型阻抗分析波特图，并联振荡由LDS及COSS引起。
谐振响应频率ωPR为
振荡响应产生时，必须满足以下条件：
同时可求出RFDW需要满足的条件：
为实现变流器的高效运行，其阻抗损耗通常较低，因此式（2）所示的要求很容易得到满足。实际应用时，
将LDS=23 nH，COSS=400 pF 代入式（4）中，计算得到ωPR=52.4 MHz，计算值与图12中的仿真值（52.6 MHz）近似。若对复杂一些的开关系统典型模型（如图9（a））进行频域阻抗分析，结果如图13所示。可以看出，当频率为18.06 kHz, 1.0576 MHz，50.279 MHz 和85.223 MHz 时，有并联谐振产生。
3.吸收电容器的作用及影响分析
虽然开关管或模块直流回路的吸收电容器能抑制因器件或直流母排回路的杂散电感引发的尖峰电压，但会减缓设备开关速度，同时也会对高频模块的运行效率产生影响。通过公式可以推导出开关回路加吸收电容器后开关电压的幅值，同时也可以通过测量EMI噪声推导出开关电压的振荡频率，这些分析都可以证明开关过电压及EMI噪声与设备及其开关速度有很大关系 。当开关回路无吸收电容器或不考虑低感母线分布电容时，通过式（１）~式（５）可以解析出其简单的LRC二阶型式电路；当开关系统为高阶次系统时，采用时域分析的办法变得复杂且不适用。因此，本文将在频域下利用SiC MOSFET的小信号模型来研究吸收电容器对器件关断过电压的抑制作用，并推导出吸收电容器的选用方法。加入吸收电容器后的开关系统小信号模型如图14所示。图中，CDec为吸收电容器，假设LDS表示器件与电流通过CDec最短的路径点间的最小电感，同时，L1为电压源及低感母排带来的附加电感。
3.1吸收电容器的作用
为了简化分析，不考虑DC电压源的分布电容，下面就CDec对过电压的吸收程度进行研究。
3.1.1无吸收情况
设置CDec=0，由式（4）和式（5）可知，此时系统谐振频率会降低，但阻抗明显增加。利用PISPICE对图14所示的加入吸收电容器后开关系统的小信号模型进行仿真，同时进行频域阻抗和VDS分析。仿真时，设置LDS=23 nH，CDec=0，其他仿真条件如图9所示，仿真波形分别如图15和图16所示。可以看出，当L1增大时，VDS振荡频率减小而开关过压幅值增加，为防止器件的损毁，此时显然需要阻止过高的器件开关电压的产生。
3.1.2未完全吸收情况
在其他仿真条件不变的前提下，分别对CDec =0 和CDec =500 pF 时的开关小系统模型进行仿真，比较系统处在无吸收和未完全吸收状态下开关系统的阻抗及VDS（图17和图18）。可以看出，当CDec值增加到500 pF 时，电容器CDec基本处于未完全吸收过电压的状态，VDS过电压降幅很小。同时，由图17可以看出，当CDec值增加到500 pF 时，系统引入了新的谐振点。
3.1.3完全吸收情况
其他仿真条件不变，分别对CDec为0，30 nF 及60 nF时的开关小系统模型进行仿真，对不同过电压吸收情况下的开关系统阻抗及VDS（图19和图20）进行比较。由图20可以看出，当CDec=0时，VDS峰值达到509 V；当C Dec=30 nF 时，V DS 峰 值 为 460 V， 较 C Dec=0 时存在45 V 的衰减；当C Dec=60 nF 时，V DS 的峰值较CDec=30 nF 时仅衰减2 V。由图19可知，吸收电容增大时，振荡频率降低，C Dec=30 nF 时系统已达到能完全吸收L1带来的过电压状态；C Dec 若继续增大，V DS的峰值基本无衰减，同时C Dec 的增加不影响开关系统的高频阻抗。
3.2吸收电容器的选择
综上所述可知，过电压被完全吸收时，L1与CDec的谐振阻抗远小于与COSS相关的谐振频率ωPR下的LDS阻抗，故在吸收电容器参数选型过程中可忽略L1与CDec的谐振阻抗的影响。假设L1=nLDS且CDec=mCOSS，其中m和n都为正整数，可推导出
由于n》1，从工程角度而言，至少选择CDec为COSS的20倍。另外，当选用合适的CDec后，由于不同系统的L1值不一样，需要评估因L1不一致对开关系统阻抗及其VDS电压的影响。设定CDec=30 nF，L1分别为10 nH，50 nH 及90 nH 时开关系统阻抗及VDS电压的仿真波形如图21和图22所示。
分析图21和图22可知，吸收电容为30 nF 时已经满足完全吸收VDS过电压的要求，即使L1不断增大，但其对52.4 MHz频率点的振荡不产生影响，更为重要的是，L1增加时将会有更低的谐振频率和更高的谐振峰值。
综上分析可知，一般而言，吸收电容器CDec需尽可能安放在功率单元附近以减小LDS带来的过电压影响。CDec是COSS的50到100倍时，VDS过电压可以被完全吸收；CDec值进一步增大后对由LDS与COSS所造成的振荡电压优化效果不大。当CDec取值能满足充分吸收过电压时，L1对高频振荡的影响效果不大；与此同时，CDec增加会引入频率为
的低频振荡，VDS的关断波形将出现无益的低频高幅值振荡。因此，在高频应用时，减小L1以及增加合适的吸收电路来保证开关元件和系统在高频下能安全有效运行。
4.双脉冲试验验证
为了验证高频吸收电路的效果，按照图4（a）所示电路搭建SiC MOSFET 双脉冲测试平台（图23），开关管采用C2M008010D型SiC MOSFET。开关脉冲的开通时间Ton =2 μs，关断时间Toff =1 μs。
图23中，绿色波形代表VDS，黄色波形代表IDS，紫色波形为双脉冲测试波形。器件关断时V DS 波形的高频振荡频率和低频振荡频率测试波形如图24所示。
试验条件及相关参数如下：
直流电压UDC/ V ---600
负载电流IDS/ A ---40
支撑电容Cbulk/μF ---470
输出电容COSS/pF 80吸收电容CDec / nF ---10
感性负载Lload /μH ---40
通过分析图24中VDS波形可知，该系统加入吸收电容CDec后，VDS高频振荡频率和低频振荡频率分别为56 MHz 和11 MHZ，同时低频振荡幅值不大，试验结果证明所选用的CDec吸收效果良好。
5.结语
本文基于SiC MOSFET 的开关特性研究了杂散电感对器件开关特性的影响，发现主开关回路电感LDS是影响其开关过电压的关键因素，继而从SiC MOSFET 脉冲开关系统的典型系统模型、开关系统大信号模型等效出小信号模型；利用PSIPCE软件仿真分析了吸收电容器对消除过电压、提升系统的EMI特性的影响，在频域范围内结合SiC MOSFET 自身的特性提出了吸收回路参数选型方案，并通过实验验证了所提方案的正确性。
由于吸收电路的种类众多，本文所提方案也可为其他类型开关元器件吸收回路的选型提供参考，但在具体工程应用时，需多维度综合考虑电压、电流、频率及功耗等因素影响，实现最优设计。
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