MOS管尖峰產(chǎn)生的原因主要與電壓電流的瞬態(tài)變化以及寄生參數(shù)(電感、電容)有關(guān),特別是在高頻開關(guān)時(shí)。
在MOS開通過程中,伴隨很大的電壓瞬變,即dv/dt,從而在寄生電容中產(chǎn)生大的位移電流Cdv/dt,形成電流尖峰;在MOS關(guān)斷過程中,通道內(nèi)產(chǎn)生電流瞬變,di/dt,瞬變電流在寄生電感端產(chǎn)生尖峰電壓Ldi/dt。
MOS的關(guān)斷速度太快,導(dǎo)致漏極dv/dt過高,布線沒布好,導(dǎo)致分布參數(shù)過大,吸收電容過小,也會(huì)產(chǎn)生尖峰。
SiC MOSFET中,由于開關(guān)的時(shí)候電壓和電流的急劇變化,器件的封裝電感和周邊電路的布線電感影響變得無法忽視,導(dǎo)致漏極源極之間會(huì)有很大的電壓尖峰。
根據(jù)公式u=-Ldi/dt,在削減尖峰時(shí)可以從這幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:
1. MOSFET關(guān)斷前的電流;
2. 開關(guān)速度;
3. 電路中電感(包括寄生電感)。
MOS管的等效模型中,電容是必不可少的,四個(gè)電極(柵極,漏極,源極,體電極)兩兩之間都存在電容。柵極與源極/體電極電容主要影響靜態(tài)特性和開關(guān)時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力,比如閾值電壓和柵極充電電荷。漏極和源極/體電極電容對(duì)器件的影響會(huì)小一些,通常關(guān)注較少。漏極和柵極間的電容就是常說的密勒電容,對(duì)器件開關(guān)特性具有較大影響,也是MOS管開啟時(shí)出現(xiàn)電流尖峰的原因。
MOS管等效電路圖
電感來自于負(fù)載電感和走線的寄生電感,它主要造成了MOS管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰。電容電感之所以會(huì)影響到器件的開關(guān)特性,可以歸因于兩句話,“電容兩端的電壓不能突變,流過電感的電流不能突變”。器件的開啟或關(guān)斷過程,就是器件的電壓/電流發(fā)生變化的過程。既然有變化,就必有隨時(shí)間的變化率,即dV/dt和和dI/dt。電容的位移電流與電容大小有關(guān),即Ic=C*dV/dt;電感兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電感大小有關(guān),即Vi=L*dI/dt。
二極鉗位管感性負(fù)載開關(guān)電路圖
所謂信號(hào)尖峰,也就是在曲線上升到峰值后,出現(xiàn)下降,之后繼續(xù)下降,或趨于平穩(wěn)。在MOS管開關(guān)過程中,信號(hào)尖峰過后,通常會(huì)趨于平穩(wěn)。在二極管鉗位感性負(fù)載電路中,MOS管開啟時(shí),電流上升,上升到一定值后,電壓開始下降,存在dV/dt。密勒電容和dV/dt如果都較大,將需要一個(gè)較大的位移電流。如果這個(gè)位移電流大于器件開啟后的穩(wěn)定電流,之后會(huì)逐步減小到穩(wěn)定電流,在曲線上形成電流尖峰。此時(shí),如果二極管是非理想的,其反向恢復(fù)電荷將導(dǎo)致更顯著的電流尖峰。在MOS關(guān)斷過程中,電壓上升,上升到一定值時(shí)電流開始下降,存在dI/dt。如果寄生電感和dI/dt都比較大,會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于器件關(guān)斷后的穩(wěn)定電壓時(shí),將形成一個(gè)電壓尖峰。
MOS管大電流關(guān)斷為什么出現(xiàn)尖峰電壓?
尖峰電壓屬于浪涌電壓里的一種,持續(xù)時(shí)間極短但數(shù)值很高。電機(jī)、電容器和功率轉(zhuǎn)換設(shè)備(如變速驅(qū)動(dòng)器)是產(chǎn)生尖峰電壓的主要因素。雷電擊中室外的輸電線路也會(huì)引起極危險(xiǎn)的高能瞬變。它們會(huì)在低壓電源電路中定期發(fā)生,峰值可能會(huì)達(dá)到數(shù)千伏。
處理方法
為了防止電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣過早老化或引起電動(dòng)機(jī)、變頻器的損壞,通??梢蕴峁┘咏虞敵鲭娍蛊鞯姆椒▉頊p小在電動(dòng)機(jī)端腳上的高次諧波沖擊電壓。
當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜線較長時(shí),加裝輸出電抗器雖然可以減小負(fù)荷電流的峰值,但輸出電抗器不能減小電動(dòng)機(jī)端腳上的瞬變電壓峰值。因此,一定要盡量縮短變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜線的長度。
(1)增加電抗器或?yàn)V波器:在連接變頻電動(dòng)機(jī)電纜的兩側(cè)增加電抗器(扼流圈)或?yàn)V波器,這樣可以有效減緩電源端輸出電壓脈沖的上升速度。
(2)縮短電纜長度:在設(shè)計(jì)線路時(shí),應(yīng)盡量減少變頻器與電動(dòng)機(jī)之間電纜的長度。通過縮短電纜長度來降低兩者之間的暫態(tài)波過程的振蕩周期,以此來降低電動(dòng)機(jī)兩端的過電壓。
(3)此外,還應(yīng)確保電動(dòng)機(jī)鐵心在檢修過程中不受損傷或短路,電動(dòng)機(jī)軸承等部件的裝配滿足精度要求,盡量降低渦流損耗等引起的局部發(fā)熱和機(jī)械配合問題對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的影響。
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