功率器件SiC和GaN的电压变化率与电流变化率-电子发烧友网

01前言

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GaN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?

02开关暂态参数定义

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。

03dv/dt，di/dt量化分析

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(Gallium 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来计算的，而SiC和GaN如果还按照us来算的话，那GaN的关断dv/dt可达100000V/us，而SiC MOS模块的关断di/dt可达12000A/us，这个数据就很大了，想想1us就撬动上万安培的电流和上万伏特的电压是不是不可思议?

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。

dv/dt，di/dt负面影响?

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。