仿真看世界之650V混合SiC单管的开关特性

前言背景：

英飞凌最近推出了系列650V混合SiC单管(TO247-3pin和TO-247-4pin)。用最新的650V/SiC/G6/SBD续流二极管，取代了传统Si的Rapid1快速续流二极管，配合650V/TS5的IGBT芯片(S5/H5)，进一步优化了系统效率、性能与成本之间的微妙平衡。

IGBT混搭SiC SBD续流二极管，在硬换流的场合，至少有两个主要优势：

§ 没有Si二极管的反向恢复损耗Erec

§ 降低30%以上IGBT的开通损耗Eon

因此，在中小功率光伏与UPS等领域，IGBT混搭SiC SBD续流二极管具有较高性价比。

此次，我们将利用英飞凌强大且丰富的器件SPICE模型，同样在Simetirx的仿真环境里，测试不同类型的续流二极管，对IGBT开通特性及Eon的影响。

特别提醒

仿真无法替代实验，仅供参考。

选取仿真研究对象

IGBT：650V/50A/S5、TO247-4pin(免去发射极电感对开通的影响)

FWD：650V/30A/50A Rapid1二极管和650V/20A/40A SiC/G6/SBD二极管

Driver IC：1EDI20I12AF驱动芯片，隔离单通道，适合快速IGBT和SiC驱动

搭建仿真电路

如下图1所示，搭建了双脉冲仿真电路，温度设为常温。

驱动回路

驱动芯片(1EDI20I12AF)，对下管Q1(IKZ50N65ES5)门级的开关控制，与上管D1续流二极管进行换流。参照Datasheet的条件，驱动IC原边5V供电及5V的控制信号，驱动IC输出的驱动电压15V/0V给到Q1的门级，驱动电阻Rgon和Rgoff都设置为23.1Ω，再假设20nH左右的门级PCB走线电感。

主回路部分

设置母线电压400V，在器件外的上管、下管和母线附近各设置10nH，总共30nH(参照规格书中的双脉冲测试条件，Lσ=30nH)。根据仿真中的驱动脉冲宽度与开关电流要求，设置双脉冲的电感参数。

图1：双脉冲仿真电路图

仿真结果分析

根据上述电路，通过选取不同的续流二极管D1的型号进行仿真，对比观察Q1的IGBT在开通过程的变化。如图2和图3所示，在IGBT的开通过程中，当续流管D1的型号从650V/50A/Rapid1切换到650V/40A/SiC/G6/SBD后，开通电流Ic的电流尖峰(由D1的反向恢复电荷Qrr形成)，从虚线(50A/Rapid1)的巨大包络，显著变为实线(40A/SBD)的小电流过冲；同时电压Vce在第二段的下降速度也明显加快，使得电流Ic与电压Vce的交叠区域变小。因此，体现在开通损耗Eon上，前者虚线(50A/Rapid1)为Eon=430uJ，降为实线(40A/SBD)的Eon=250uJ，占比为58%，即Eon降幅约40%。

图2：双脉冲仿真开关特性波形(650V/50A/Rapid1)