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_2t2​到t3t_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UDSUDC−(LDLS)diDdt−RstrayiD U_{DS}U_{DC}-(L_DL_S)\frac{di_D}{dt}-R_{\mathrm{stray}}i_DUDS​UDC​−(LD​LS​)dtdiD​​−Rstray​iD​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栅极电压上升沟道开始建立IDS开始上升快速变化的IDS在LDLSL_DL_SLD​LS​上产生ΔVL(LDLS)diDdt\Delta V_L(L_DL_S)\frac{di_D}{dt}ΔVL​(LD​LS​)dtdiD​​电流还会在RstrayR_{\mathrm{stray}}Rstray​上产生ΔVRRstrayiD\Delta V_RR_{\mathrm{stray}}i_DΔVR​Rstray​iD​因此外部探头测得VDSUDCV_{DS}U_{DC}VDS​UDC​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LDLSL_DL_SLD​LS​上的LdiD/dtLdi_D/dtLdiD​/dt压降和RstrayiDR_{\mathrm{stray}}i_DRstray​iD​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_DLD​、LSL_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​LDLS决定快速开关沿上的寄生压降、过冲和振铃 \boxed{ L_DL_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(LDLS)diD/dt(L_DL_S)di_D/dt(LD​LS​)diD​/dt和RstrayiDR_{\mathrm{stray}}i_DRstray​iD​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_0t0​到t1t_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}CDS​和CGDC_{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}CDS​和CGDC_{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IinductorLsL_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