总第470期
2021年第2期Control and Information Technology61
的参数优化设计
施洪亮，罗德伟，王佳佳，谭渺，杨奎，周帅，饶沛南
(株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412001)
摘要：针对SiC-MOSFET开关模块开关速度快、开关电压尖峰高、缓冲吸收电路参数难以确定的问题，文章提出一种RC缓冲吸收电路参数快速优化设计方法。该方法基于包含寄生参数的电路分析模型并利用双脉冲电路，通过不同的缓冲吸收电路参数曲线来确定电路参数的优化区间并选取最优的缓冲吸收电路参数。仿真和实验结果表明，采用该方法能够针对SiC-MOSFET开关模块关断尖峰电压和缓冲吸收电路总损耗快速设计出满足要求的电路参数，使关断尖峰电压和缓冲吸收电路损耗处于系统优化的最佳区间。
关键词：SiC;RC缓冲吸收；双脉冲；寄生参数；电压尖峰；优化设计
中图分类号：TN35文献标识码：A文章编号：2096-5427(2021)02-0061-06
doi:10.13889/j.issn.2096-5427.2021.02.010
Optimized Parameter Design of RC Snubber Circuit for
SiC-MOSFET Module
SHI Hongliang,LUO Dewei,WANG Jiajia,TAN Miao,YANG Kui,ZHOU Shuai,RAO Peinan
(Zhuzhou CRRC Times Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan412001,China)
Abstract:This paper proposes a fast optimization design method for RC snubber circuit parameters in order to solve the high switching voltage spikes of SiC while high switching and difficulties in snubber circuit parameters.This method is based on the circuit analysis model of double-pulse circuit including parasitic parameters.Different snubber parameter curves are used to determine the optimal interval of circuit parameters and select the best snubber parameters.The simulation and experimental results show that the method can quickly optimize the design of the circuit parameters that meet the requirements for the turn-off voltage spike of SiC switching devices and the total loss of the snubber circuit,and the spike voltage and the loss of the snubber circuits are in the optimal range
for system optimization.
Keywords:SiC;RC snubber;double pulse;parasitic parameters;spike voltage;optimal design
0引言
SiOMOSFET开关模块（简称“SiC模块”）由于其高开关速度、高耐压、低损耗的特点特别适合于高频、大功率的应用场合。相比Si-IGBT,SiC-
收稿日期：2021-01-13华山在哪
作者简介：施洪亮（1983—），男，博士，工程师，研究方向为基于SiC模块的高频大功率变流器设计以及磁性器件优化设计研究。MOSFET开关速度更快（高一个数量级），在开关模块关断瞬间，由母排寄生电感和开关模块寄生电容引起的关断尖峰电压更高［刊。关断过电压不仅给开关模块带来更大的电压应力，缩短模块工作寿命，而且会给系统带来更大的损耗以及更严重的电磁干扰问题，因此，需要增加缓冲吸收电路来抑制SiC模块关断过程中因振荡带来的尖峰电压过高的问题两。
文献［7-11］通过对双脉冲电路进行仿真和实验研
622021年第2期
究，给出了缓冲吸收电路参数的优化设计方法，但都是以关断尖峰电压和系统EMC的抑制为目标。实际应用中，选择缓冲吸收电路参数时，为防止SiGMOSFET 开关在开通瞬间由于吸收电容器上能量过多、需通过自身放电进而影响模块使用寿命，需要对RC缓冲吸收电路（简称“RC电路”）的功率加以限制。关断尖峰电压越高，SiC器件电压应力越大，器件寿命则越短，因此在满足关断尖峰电压尽可能低的前提下使RC电路的功率最小，这样可以延长价格昂贵的SiC模块寿命，提高系统的经济性。文献［12］针对IGBT开关模块的缓冲吸收电路进行了参数设计和研究，该电路比较复杂，文中没有给出参数选取的优化区间。由于SiGMOSFET 开关速度更快，基于SiJGBT设计的缓冲吸收电路参数并不适用于SiC-MOSFET的应用场合。
为了使本研究不失一般性，本文从基于半桥结构的SiC-MOSFET电路出发，推导出关断尖峰电压和系统寄生参数以及缓冲吸收电路参数之间的关系，并求解出缓冲吸收电路参数的优化区间，最后通过仿真和实验验证该方法的正确性。
1SiC-WSFET半桥主电路拓扑及其等效电路
双脉冲电路主电路拓扑结构（图1）包含了主要的电路寄生参数以及RC电路。图中，比为SiC・MOSFET模块关断电压；氐为双脉冲实验电源电压；S为SiC-MOSFET模块内部寄生电感；L表示负载电感器；厶应为母排寄生电感；Sb为RC电路寄生电感；厶为电源寄生电感；尺nb为RC电路电阻；Resr 为支撑电容器的寄生电阻；c表示支撑电容器；c snb 为缓冲吸收电容。
图1双脉冲电路主电路拓扑
Fig.1Main circuit topology of a double-pulse circuit
图2示出半桥主电路桥臂下管关断时刻图1的等效电路。为了推导7ds与缓冲吸收电路参数及主电路寄生参数之间的关系，在下管关断瞬间，电路有如下几个假设条件成立：
（1）下管关断瞬间，上管的二极管管压降可以忽略不计；
（2）直流母线支撑电容器C在下管关断瞬间相当于短路，因为其高频阻抗（1/^C）远小于支撑电容器C的等效串联电阻凡sr；
（3）电源7dc在桥臂下管开通瞬间可以被视为开路，因为电源与SiC模块间的距离远大于缓冲吸收电路与SiC模块间的距离，故线路电感厶的高频阻抗（（OL O）大于Resro
图2双脉冲电路主电路等效电路
Fig.2Equivalent circuit of a double-pulse circuit
由图2可列写电路方程：
jpdO+hC）
人s⑴二右
）+T7-j Lnb⑴&+&讪-厶ds
Csnb」&dt （0=-z⑴-z歸晋-Ze響
⑴式中：/P（0——直流支撑电容器c中的电流；Zd（O——SiC模块寄生电容中的电流；z snb（0——缓冲吸收电容中的电流；C s—
—SiC模块结电容。
对式（1）进行拉普拉斯变换，可求解出
/\兄（3）
皿吩⑵式中：
/(S)=(厶snb厶bus Gnb+厶us厶ds Gb+^dsAnb Gb)$+
(厶d sCnbRnb+Gb厶ds^esr+
厶busKnbCsnb)$+厶p+厶snb；
*(S)=(厶ds&nb Gnb Cs+pbusAnb^snb G+
厶us Als Gnb G)$+(Ais厶snb Q人snb+
Csnb Cs Rest厶snb+厶ds Qnb Q^esr+
厶bus Gnb人snb)*+(Gnb人snb+
CsnlAsr+Cs&sr)s
2021年第2期施洪亮等：SiC-MOSFET开关模块RC缓冲吸收电路的参数优化设计63 2RC电路参数优化设计
由式⑵可知，当双脉冲电路的主电路寄生参数
已知时，不同的RC电路参数会导致不同的开关电压
忍(/)，并且RC电路的引入会带来系统损耗的增加，
因此需要对RC电路参数加以优化。
2.1V ds波形分析及RC电路初始值设计
2.1.1比波形分析
图3示出下管关断时其关断电压％的波形。从
图3(a)中可以看出，未增加RC电路的模块其您峰
值为1021V，且电压衰减速度很慢，这是因为电路
的阻尼仅由凡和线路寄生电阻构成，约为10mil
数量级。增加了RC电路之后，从图3(b)可以看出，
K ds关断电压波形振荡频率f osc从16.12MHz升高到
21.67MHz，您幅值衰减速度加快。
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(a)未加RC缓冲吸收电路时模块关断电压波形
(b)加了RC缓冲吸收电路时模块关断电压波形
图3加RC与未加RC缓冲吸收回路时
SiC-MOSFET开关模块关断电压您波形
Fig.3Switch-off voltage V ds of SiC-MOSFE module with or
without RC snubber versus
因兀s波形是一个衰减振荡正弦波，为了求解缓冲吸收电路中RC的参数值，可将图2等效为图4。
2.1.2初始值设计
由图3可以看出，兀s波形可视为在直流电源电压7“上叠加一个正弦激励而产生的响应曲线。由于寄生参数的存在，该正弦激励在电路中会产生LC谐
图4双脉冲电路简化等效电路
Fig.4Simplified circuit of the equivalent double-pulse circuit 振，其谐振频率可通过实验或者仿真方法测量得到:
osc2兀7^')式中：厶---电路谐振的等效电感。
图2所示的双脉冲电路具有一个衰减振荡的工作过程。根据经典二阶系统的响应计算公式，系统的阻尼系数为
式中：—
—经典二阶电路阻尼电阻。
因不同的缓冲吸收电阻Rnb会改变电路的等效阻尼电阻凡amp，由式⑷可知，电路的阻尼系数也会因此而不同。调整RC电路参数的初始值，可使电路处于临界阻尼状态，即厂1，因此可求得谐振电路临界阻尼电阻：
(5)
图2中的厶us—般在50〜90nH之间，R esr^ 10mQ以内。当振荡频率/；S c=21.2MHz时，RC电路在此频率下的阻抗远大于由厶bus和Res’组成的支路的，因此可得到
Rsnb匕人damp(6) 2.1.3Csnb初始值设计
增加了RC电路之后，为了有效抑制电路振荡，根据式(6)可求得谐振电路参数需满足如下
兀厂2兀X心b"eff⑺式中：Ceff-----谐振电路等效电容。
根据式(5)和式(6)，计算得到Rsg将其代入式⑺，可计算得到Ceff,
然后可求得
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C S nb =Ceff-C s
(8)
2. 2 RC 电路参数与关断电压之间的关系
由2.1节分析可知，通过合理选择RC 电路参数
可有效抑制卷振荡，原因具体如下：
(1) C snb 和C s 共同决定了 K ds 的高频振荡周期以 及峰值大小，Csnb 越大，卷振荡周期越大，峰值越小；
(2 )心b 决定了谐振电路的阻尼，Rnb 从0开始
增加，可使得电路分别处于欠阻尼、临界阻尼和过阻
尼状态。
为了快速给出RC 电路参数的定量范围，参数R 和C 可用凡amp 和Cs 的倍数进行定量标定；一旦SiC ・
MOSFET 模块规格型号确定，蘇呵可由式⑶〜式⑸ 确定。下面研究不同的RC 参数和7ds 之间的关系。
首先固定Csnb 容值，采用不同的凡讪来绘制曲线。选
择 O.lAdamp W 2?snb W 10007?d amp , 0.1C s W C snb W 100C s ,
其中T^snb 的选取原则是使得电路可分别处于欠阻尼、 临界阻尼和过阻尼状态。
图5示出Fds 与人snb 之间的关系。对于同一 Csnb 值、
不同《snb 情况，当凡amp W 人snb W 3R d amp 时，Kis 关断
尖峰存在一个局部最小值区间，且随着继续增
大，％处于单调增加状态直至稳定到最大值。在同一
Rnb 值时，Cs ’b 越大，您最大值越小，抑制效果越好, 该趋势和2.1节理论分析结果相一致。
o
o o o o o o
8 7 6 5 4 3 28 8 8 8 8 8 8810
800
io-2 10-1
10°
101
102 103
缓冲吸收电阻Rs/。图5关断尖峰电压氐与缓冲吸收电阻凡nb 之间的
关系
Fig. 5 Spiking voltage V ds versus snubber resistance 7?S nb for
different snubber capacitances
图6示出缓冲吸收电容损耗和负载电流之间的
关系曲线。可以看出，随着缓冲吸收参数寄生电感
的增加，缓冲吸收电容器的损耗也随之增加；随着 负载电流的增加，缓冲吸收电容中的损耗快速增加。 为了确保吸收电路损耗最低，需要尽可能地减小缓
冲吸收电路中的寄生电感，设计时可使RC 电路尽 可能地靠近SiC 模块以缩短二者间物理距离，从而 减小寄生电感。
图6缓冲吸收电容损耗与负载电流之间的关系
Fig. 6 Snubber capacitor loss versus different load current
2.3 RC 电路参数与其损耗之间的关系
通过仿真可以得到不同血b 时Csnb 和血b 的损耗
曲线。图7示出凡nb 和ds 以及人snb 和缓冲吸收电容
损耗爲之间的关系曲线。其中：
Ecs
(9)
式中：％——未增加缓冲吸收电路时的模块关断尖 峰电压；r dsl ——增加了缓冲吸收电路后模块关断尖
峰电压。
缓冲吸收电阻的损耗为
Esnb
二 £心总f (I 。)
式中：/ds ------SiC 模块中的电流；tf ----模块关断时下降时间。
280
o o o 7 6 5
2 2 2240
..
10-2 IO-1
10°| ； IO 1
102 103
缓冲率收)电阻心b/Q
0.0250.020
0.0150.010
0.005
io-2 io-1 10。i IO 1 102
103
缓冲吸收电阻Rs/。
图7 缓冲吸收电阻与关断尖峰电压、缓冲吸收能量
之间的关系
Fig. 7 Spiking voltage and total energy dissipation versus
different snubber resistances
图7中绿区间即为RC 优化区间。可以看出，
在绿虚线框内，7ds 开始缓慢上升，缓冲吸收电 阻损耗民nb 接近最大值。因此，选取缓冲吸收参数
2021年第2期施洪亮等：SiC-MOSFET开关模块RC缓冲吸收电路的参数优化设计65
优化区间的原则是：要选取使得缓冲吸收电阻损耗处于最大的区域（此时吸收效果最好）且此时7ds处于较小值的区间。结合图4可知，RC缓冲吸收参数电阻选取原则为
根据式（11）选择RC缓冲吸收参数，可使得关断尖峰电压和缓冲吸收电路吸收电阻损耗曲线位于图7绿框内。
2.4RC电路参数优化设计方法
综上，针对半桥结构SiC-MOSFET开关模块的RC电路参数可按照图8所示流程进行选型设计。
图8RC缓冲吸收电路参数选型设计流程Fig.8The design process of RC snubber circuit parameters 3
仿真与实验验证
为了验证仿真模型的准确性以及RC缓冲吸收电路参数对Kic尖峰吸收的影响效果，利用仿真软件搭建基于罗姆公司BSM600D12P3G001型SiC-MOSFET模块的双脉冲仿真模型进行仿真与实验研究对比，实验电路和仿真模型采用与表1相同的参数，其中RC电路参数选取原则是根据式（11）选择血尸2蘇呵，C snb=3.3C so仿真电路模型如图9所示，仿真参数如表1所示。
表1双脉冲电路主要参数
Tab.1Main parameters of double-pulse circuit
(11)
参数名称数值输入电压Fdc/V600
SiC-MOSFET模块内部寄生电感民/nH5
母排寄生电感厶us/nH55
缓冲吸收电路寄生电感厶nb/nH8
缓冲吸收电路电阻7U/Q2
缓冲吸收电容Csnb/nF10
支撑电容寄生电阻TU/inQ10
陈嘉桓个人资料支撑电容C/pF3300
电源寄生电感厶/nH20
图10示出双脉冲实验的仿真与实验结果对比。可以看出，仿真波形与实验结果基本一致，二者7ds 最大值仅相差10V，误差为3.2%o实验和仿真波形的不一致主要体现在高频振荡部分，其原因是仿真所采用的系统寄生电路参数和双脉冲实验中的实际杂散参数存在细微的差别，但该差别不影响对缓冲吸收参数和最大关断尖峰电压您的研究。
Fig.10Simulation and experimental results of the
double-pulse test
4结语
本文针对基于SiC模块的变流器RC缓冲吸收电路参数进行优化设计，基于双脉冲电路分析模型推导出了SiC模块的关断电压方程，通过绘制缓冲吸收电阻和关断尖峰电压以及缓冲吸收电路功率损耗之间的关系曲线，确定缓冲吸收电路参数的优化区间，依此来选择最优RC缓冲吸收电路参数，并通过仿真和实验验证了该方法的正确性。
本文在实验和仿真过程中未考虑SiC模块结电容随温度和输出电压的变化。后续研究可建立开关模块电容非线性模型，同时将门极驱动电阻作为另一个变量参数，并结合RC缓冲吸收电路，对门极驱动电压和SiC模块关断电压以及关断尖峰电压进行优化设计，从而提高系统效率和可靠性
。
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