news 2026/8/24 13:45:40

双脉冲开关测试中考虑电路寄生影响的波形分析

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
双脉冲开关测试中考虑电路寄生影响的波形分析

参考文献:Performance Comparison of Standalone 4H-SiC JFETs and Cascode Devices at Cryogenic Temperature

在双脉冲测试中,器件开关波形受到功率回路寄生电感、续流二极管结电容、器件非线性结电容、封装键合线和内部栅极网络的共同影响。开通过程中,漏极电流上升在漏极和源极寄生电感上产生 (Ldi/dt) 压降,使外部测得的VDS在实际米勒平台之前出现下降;关断过程中,负载电流在DUT输出电容和续流二极管电容之间分流,改变VDS上升速度和IDS下降时刻。

实测开关波形图


理想开关波形图


可以发现,理想开启波形,在IDS到达峰值时,VDS才开始下降。而理想关断在VDS达到峰值时,IDS才开始下降。
而实际测试过程中发现,在开启过程中,在IDS到达峰值前,VDS已经开始下降。在关断过程中,在VDS到达峰值前,IDS也已经开始下降。
理想波形和实测波形的区别在于电路中的寄生参数影响

室温JFET开通过程中t2t_2t2t3t_3t3的现象:在外部栅压到达米勒平台之前,测得的VDS已经开始下降
UDS=UDC−(LD+LS)diDdt−RstrayiD U_{DS}=U_{DC}-(L_D+L_S)\frac{di_D}{dt}-R_{\mathrm{stray}}i_DUDS=UDC(LD+LS)dtdiDRstrayiD
这意味着在沟道电流上升阶段,即使器件还没有进入主要VDS下降的米勒阶段,外部测得的VDS也可能因为功率回路寄生压降而下降
开通初期:

  1. 栅极电压上升,沟道开始建立;
  2. IDS开始上升;
  3. 快速变化的IDS在LD+LSL_D+L_SLD+LS上产生:ΔVL=(LD+LS)diDdt\Delta V_L=(L_D+L_S)\frac{di_D}{dt}ΔVL=(LD+LS)dtdiD
  4. 电流还会在RstrayR_{\mathrm{stray}}Rstray上产生:ΔVR=RstrayiD\Delta V_R=R_{\mathrm{stray}}i_DΔVR=RstrayiD
  5. 因此外部探头测得:VDS<UDCV_{DS}<U_{DC}VDS<UDC
  6. 这部分VDS下降不是完全由器件Coss放电或沟道进入米勒平台造成的,而是有功率回路寄生压降贡献

双脉冲第二个脉冲开通时,负载电感LloadL_{\mathrm{load}}Lload保证负载电流在快速开关过程中近似恒定,并使DUT开通后的母线电压主要转移到负载电感两端。在DUT电流由续流二极管支路向DUT支路换流的初始阶段,负载电感总电流变化很小,而DUT电流快速上升,因此LD+LSL_D+L_SLD+LS上的LdiD/dtLdi_D/dtLdiD/dt压降和RstrayiDR_{\mathrm{stray}}i_DRstrayiD压降会使外部测得的VDS在栅压进入米勒平台前提前下降。进入主要米勒阶段后,VDS的完整下降则与负载电感两端电压由近0 V建立到接近母线电压相对应。因此,米勒平台前的小幅VDS预下降主要反映功率回路寄生压降,而VDS由母线电压降至导通压降的主过程则同时受到负载电感、电流换流、器件电容和沟道动态的共同影响。

分析双脉冲测试的开通过程时,需要区分两类电感:

  • LloadL_{\mathrm{load}}Lload:人为设置的储能负载电感,主要决定测试电流,并在DUT导通后承担大部分母线电压;
  • LDL_DLDLSL_SLS:DUT漏极、源极及连接回路的寄生电感,主要在快速换流阶段产生额外压降、过冲和振铃。

在双脉冲换流过程中,负载电感电流与DUT电流并不始终相等:

iL≠iD i_L \neq i_DiL=iD

特别是在第二个脉冲开通初期,负载电感电流近似恒定,而DUT电流由0快速上升,续流二极管电流则由负载电流下降至0。

双脉冲开通过程中,两类电感的作用可以概括为:

Lload决定测试电流及主电压转移 \boxed{ L_{\mathrm{load}} \text{决定测试电流及主电压转移} }Lload决定测试电流及主电压转移

LD+LS决定快速开关沿上的寄生压降、过冲和振铃 \boxed{ L_D+L_S \text{决定快速开关沿上的寄生压降、过冲和振铃} }LD+LS决定快速开关沿上的寄生压降、过冲和振铃

因此:

  • 米勒平台前的小幅VDS预下降,主要来自(LD+LS)diD/dt(L_D+L_S)di_D/dt(LD+LS)diD/dtRstrayiDR_{\mathrm{stray}}i_DRstrayiD
  • VDS由母线电压下降至导通压降的主过程,则与负载电感电压建立、电流换流、器件电容和沟道动态共同相关。

室温JFET关断过程中t0t_0t0t1t_1t1的现象:在 JFET 的关断过程中,当栅极电压达到米勒平台时,漏—源极电压VDSV_{DS}VDS开始上升。理想情况下,负载电流ILI_LIL用于给CDSC_{DS}CDSCGDC_{GD}CGD充电。然而,部分ILI_LIL会被分流,用于对CDC_DCD放电,从而减小了对CDSC_{DS}CDSCGDC_{GD}CGD充电的有效电流。
为验证该理论,对电路进行仿真:

用于续流的二极管,下侧测电流的电流探头命名为Icapdown,上侧测电流的电流探头命名为Icapup
测负载电感的电流探头命名为Iinductor
LsL_sLs上侧的电流探头命名为Ids
负载电感与电压之间的电流压头命名为Idd

运行结果如下

可以发现Ids在Vds上升到最大值之后开始快速下降,但是在Vds上升过程中,Ids已经开始下降
Ids的关断过程本应和开启过程对称,在栅压的米勒平台结束后才开始下降,米勒平台这个时间段也是Vds快速上升的时候
但是Ids在米勒平台期间就出现了反常的降低
这归因于二极管中寄生电容的影响,在关断的时候,负载电感两端的电压已经下降,但是二极管电容两端的电压没有突变,大于电感两端的电压,所以开始放电。电容的极性为上正下负,从Icapup流出,从Icapdown流入,直至下管完全关断,电流在电感和二极管之间进行续流

标记:双脉冲-开关过程深夜讨论(PIC宿舍),与师弟进行交流讨论(住处)

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