功率器件SiC和GaN的电压变化率与电流变化率
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?
04
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。
除了以上影响外，过高的dv/dt和di/dt还会拓宽emi的辐射频谱，这一块我们后面有机会可以在进一步分析，今天就不深入探讨了。
今天就给大家分享到这里，以上内容若有不对之处，请大家批评指正!
原文标题：干货 | 功率器件的dv/dt和di/dt有多大?
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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。
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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。
除了以上影响外，过高的dv/dt和di/dt还会拓宽emi的辐射频谱，这一块我们后面有机会可以在进一步分析，今天就不深入探讨了。
今天就给大家分享到这里，以上内容若有不对之处，请大家批评指正!
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