干货 | 功率器件的dv/dt和di/dt有多大？
关注 2022年4月22日 10:49 浏览：2642 评论：1 收藏：1
我们都知道 功率半导体器件 属于电力电子开关，开关速度非常快， 1秒可以开关上千次（ kHz ），高速功率器件可达到几十 kHz ，甚至上百 kHz 。开关速度越快意味着器件的电压变化率 dv/dt 和电流变化率 di/dt 也就越大。影响 dv/dt 和 di/dt 的主要因素是 器件材料 ，其次是器件的电压、电流、温度以及驱动特性。为了加深大家对高速功率半导体器件的理解，今天我们以 SiC 和G aN 为例来聊一下这个话题，看看高速功率器件的 dv/dt 和 di/dt 到底有多大？
首先，让我们先来看一下 SiC MOSFET 开关暂态的几个关键参数，图片来源于 Cree 官网 SiC MOS 功率 模块 的 datasheet 。开通暂态的几个关键参数包括：开通时间 ton 、开通延迟时间 td(on) 、开通电流上升率 di/dton 、开通电压下降率 dv/dton ，电流上升时间 tr ，如下图所示：
关断暂态的几个关键参数包括：关断时间 toff、关断延迟时间 td(off) 、关断电流下降率 di/dtoff 、关断电压上升率 dv/dtoff ，以及电流 下降 时间 tf，如下图所示：
下面我们 重点聊一下开关暂态的电压、电流变化率 ，其它参数不做分析。通过以上器件开关曲线我 们可以得到两个主要信息： ① SiC MOS 开关暂态上升时间 tr 、下降时间 tf 主要是指电流 ，为什么没有给出电压的上升和下降时间，老耿也不太清楚，有可能是因为两者都是一个数量级，毕竟这个参数意义也不大，主要用来形容器件速度有多快，有其它见解 的小伙伴可以告诉我； ② SiC MOS 开关暂态电压、电流 变化 率的选取时间是电流和电压幅值的 40%-60% ，这个相对好理解，主要是因为器件 开关暂态是非线性 的，选择变化率最大的一段最能说明问题。
了解了SiC MOS的开关暂态参数定义后，让我们看看 SiC MOS 的 dv/dt 和 di/dt 到底有多大？下面以 Cree 公司的 1200V 300A 模块为例进行介绍，器件型号为 CAS300M12BM2 ，模块实物图和内部电路如下图：
下图为 25℃ 的室温下， SiC MOS 在 600V 母线电压和 300A 电流下 dv/dt 、 di/dt 与栅极电阻的关系曲线 ，可以看出随着器件栅极电阻的增大，其开关暂态的 di/dt和 dv/dt 都会减小，这个也比较好理解，栅极电阻增大，器件的开关速度就会减小。
这里有个知识点需要大家记住， MOS器件门极是直接可以控制电流变化率的，而对于 IGBT 门极电阻对关断电流变化率的影响却很有限。
在这里我们假设器件的栅极电阻为 2欧姆，那 SiC MOS 开通暂态下的 dv/dton 和 di/dton 分别为： 17.5V/ns 和 9A/ns ，而关断暂态下的 dv/dtoff和 di/dtoff 分别为 12V/ns 和 12A/ns ，对于这个数值有些小伙伴可能没有太直观的概念，后面我们会和其它弱电信号对比一下，就比较清楚了。
让我们再看看更快速的GaN-HEMT（ G allium Nitride, High Electron Mobility Transistor ， 氮化镓- 高电子迁移率晶体管 ），直接上图对比：
与 同等 导通电阻下 与 SiC MOS 相比， GaN 的开通速度快 ~4 倍，关断速度快 ~2 倍，下图为 GaN在 450V/30A 下的关断测试波形，关断电压 dv/dt 已经达 100V/ns ，这里没有查到 di/dt相关数据（ GaN电流测量是个问题 ），速度肯定也会比 sic 更快。
感兴趣的小伙伴可以去看一下IGBT的手册，IGBT 的dv/dt和di/dt都是按us来计算 SiC 和GaN 如果还按照us来算的话，那GaN的关断dv/ dt 100000V/us di/dt 可达12000A/us ，
不过回过头来，再仔细想想这句话 “1us可以撬动上万安培的电流和上万伏特的电压 ”是个伪命题，事实上GaN 和 SiC 是不可能在 1us 内改变上万 V 的电压和上万 A 的电流的，还要靠 IGBT 、 IGCT 、 IEGT 、 SCR 这几个老大哥，不过已经见过不少学术论文研究 10kV 以上的的 SiC 功率器件了（ 电流很小 ），在这里老耿只想强调 GaN 和 SiC 器件的 dv/dt 和 di/dt 非常大，大家不要被带偏了！ 如果把这么快的边沿比作一把利剑，那肯定会削铁如泥 、吹毛断发 。
为了更好的理解功率器件的高速开关暂态，让我们再和弱电信号对比一下。大家对电力电子中应用最多的 DSP都比较熟悉，那就让我们看看 DSP GPIO 数输出边沿跳变时间，下图为 TM320F28335 GPIO 的上升沿和下降沿时间：
可以看出 DSP 普通 IO 的上升沿和下降沿最大也就 8ns ，这个时间已经很短了，但是信号的电平也很小，只有 3.3V 。这样算下来 GPIO 的 dv/dt 大概在 0.41V/ns 。 没对比就没有伤害，原来功率器件的 dv/dt 速度都超过 DSP GPIO 输出电平的跳变速度了。
可能有小伙伴会有疑问，上面的只是 DSP 起家普通 IO 的速度，并不具代表性，然后老耿又查阅了一些资料，下面为 TTL 、 CMOS 、 LVDS 和 ECL 常用的数字逻辑电平的边沿跳变 时间，可以看出最快的可达 100ps ，带宽已经到了 3.5GH 。然而随着 信号速度的提升，电平的幅值都会减小，而且大部分都采用差分信号 ，例如 ECL 电平摆幅却只有 0.8V ，这样算下来电平的 dv/dt 只有 8V/ns ，这样和最快的功率器件对比还是有一点差距。
当然还有我不知道的高速信号， 感兴趣的小伙伴可以自己去找找 。
由于 dv/dt 和 di/dt 过高的开关速度，电路的中的寄生参数总算可以体现自己的 “ 价值 ” 了。以 SiC MOS 关断暂态的 dv/dt 和 di/dt 为例， 12A/ns 的 di/dt 在 1nH 的杂感就会产生 12V 的压降， 12V/ns 在 1pF 的电容就会产生 12mA 的电流，而事实上功率主回中的寄生参数可能会远大于 1nH 和 1pF 。由于这些寄生参数的存在，电流就会肆无忌惮的在电路中任意流动，即使是 隔离电路对他们束手无策 ， 因为大部分隔离变压器要做到几个pF的寄生电容也不太容易，所以说 高速功率器件的应用对功率回路的设计提出了新的挑战 。
除了以上影响外，过高的 dv/dt 和 di/dt 还会拓宽 EMI 的辐射频谱，这一块我们后面有机会可以在进一步分析，今天就不深入探讨了。
今天就给大家分享到这里，以上内容若有不对之处，请大家批评指正！
技术邻APP工程师 必备
2022年4月22日 10:49
