碳化硅MOSFET换流回路杂散电感提取方法的优化
谢宗奎 柯俊吉 赵志斌 黄华震 崔翔
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180761
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导语
碳化硅（SiC）功率器件由于具有电流密度高、开关速度快、导通电阻小和阻断电压高等优势，目前已经被逐渐应用在光伏逆变器、风力发电以及电动汽车等领域。在基于SiC MOSFET器件的高压高频变换器中，快速的开关瞬态电流变化率di/dt会作用于换流回路杂散电感上，导致SiC MOSFET器件承受较大的电气应力，增加系统电磁干扰。
为优化系统结构布局和改善系统性能，有必要对开关器件换流回路的杂散电感进行准确提取。目前，杂散电感的提取方法主要可以分为四类：解析法、数值计算法、直接测量法和间接测量法。
针对现有杂散电感提取方法的限制条件和局限性，本文提出了一种适用于SiC功率器件的开关瞬态特性测试平台杂散电感提取的间接测量方法。
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论文的方法及创新点
本文建立了SiC MOSFET开关瞬态特性测试电路的宽频等效模型，通过对SiC MOSFET开关过程的振荡阶段进行建模分析，推导出SiC MOSFET开关振荡频率与回路杂散电感和杂散电容之间的关系。然后采用外部插入分立电容来人为地改变振荡频率，从而构造出包含振荡频率、换流回路杂散电感和杂散电容参量的数学方程组，通过消元法求解方程组，计算出换流回路的杂散电感。
图1 开通振荡分析的小信号等效电路
图2 关断振荡分析的小信号等效电路
为了验证本文提出换流回路杂散电感提取方法的准确性，本文设计并搭建的可远程控制和在线监测的SiC MOSFET开关瞬态特性测试系统，并将该测试系统作为换流回路杂散电感提取的被测对象。测试系统的设计主要针对测量设备和关键参数的选取以及控制系统的设计。
图3 测试系统框图
图4 SiC MOSFET开关瞬态特性测试平台
针对搭建的SiC MOSFET开关瞬态特性测试系统，本文首先采用传统的杂散电感提取方法中的数值计算法、直接测量法以及间接测量法对其换流回路的杂散电感进行提取。
针对采用传统杂散电感提取方法的结果，本文在所搭建测试平台上进行双脉冲实验，并基于本文所提出的基于SiC MOSFET开关振荡频率的杂散电感提取方法对测试平台换流回路杂散电感进行提取。通过外部插入不同电容值的电容，得到了三组不同开通振荡频率以及三组不同关断振荡频率的实验波形。在开通（或关断）过程的三组数据中任选两组，代入振荡频率和换流回路杂散电感的方程组中，即可得出换流回路杂散电感。为了减小实验误差，将计算结果求均值。
经计算通过开通和关断振荡频率提取的杂散电感值与上文采用传统方法提取的杂散电感相差不大，最大误差只有1.92nH，此时相对误差为3.5%，所以认为本文提出的通过开关振荡频率提取SiC MOSFET测试平台回路杂散电感的方法可以较为准确的杂散电感。但是基于开通和关断振荡频率提取的结果，其电感提取结果的方差分别为2.10和1.38，可以看出基于关断振荡频率的电感提取结果其方差更小所以更为稳定。此外由于SiC MOSFET开通后漏极电流会继续上升，而SiC MOSFET关断后漏源极电压会回到母线电压，所以关断振荡周期更容易确定。因此，应优先使用关断振荡频率来提取杂散电感。
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结论
通过对SiC MOSFET开关寄生振荡机制的分析，并针对现有换流回路杂散电感提取方法的局限性，本文提出了一种优化后的适用于SiC MOSFET开关瞬态测试平台换流回路的杂散电感提取方法，只需测量SiC MOSFET分立器件的开关振荡周期，消除了回路杂散电阻、测量延时以及平台尺寸的影响。
此外，本文还设计了可远程控制且在线监测开关瞬态特性测试平台，基于该平台对比了所提方法和传统杂散电感提取方法的测量结果，验证了该方法的有效性和准确性。
谢宗奎, 柯俊吉, 赵志斌, 黄华震, 崔翔. 碳化硅MOSFET换流回路杂散电感提取方法的优化[J]. 电工技术学报, 2018, 33(21): 4919-4918.
Xie Zongkui, Ke Junji, Zhao Zhibin, Huang Huazhen, Cui Xiang. Optimized Extraction Method of Stray Inductance in Commutation Path for Silicon Carbide MOSFET. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 4919-4918.
团 队 简 介
华北电力大学
华北电力大学电磁所大功率电力电子器件封装及测试团队带头人为崔翔教授和赵志斌教授。团队主要围绕Si基和SiC基高压大功率电力电子器件封装中的电热力多物理量均衡以及器件特性开展研究工作。
团队近年来主要承担了国家自然科学基金-智能电网联合基金“压接型IGBT器件封装的多物理场相互作用机制”、国家重点研发计划项目（基础前瞻类）高“压大功率SiC IGBT器件封装多芯片并联均流、电气绝缘、电磁兼容和驱动保护方法”等多项国家级高压大功率电力电子器件的科研项目。