作者：Maurizio Di Paolo Emilio

在航空，艦船系統(tǒng)和電動(dòng)汽車領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，[1] [2] [3]最好的解決方案之一是碳化硅（SiC）MOSFET，因?yàn)樗哂懈哳lHF和高功率。 -其轉(zhuǎn)換器的密度。與基于硅Si的IGBT相比，SiC MOSFET可以提供更快的開關(guān)速度和更低的功耗。這個(gè)因素使其能夠以更高的開關(guān)頻率工作，該開關(guān)頻率估計(jì)為幾百千赫茲。最終將提高功率轉(zhuǎn)換器的電荷密度和效率[4] [5]。

與物理模型和香料模型相比，分析模型具有在準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)單性之間做出有效權(quán)衡的趨勢(shì)[6] [7]。

[8] [9] [10] [11] [12] []有大量模型，例如開關(guān)瞬態(tài)，寄生參數(shù)的影響，開關(guān)損耗，開關(guān)振蕩和高頻（HF）電磁干擾（EMI）噪聲。 [13]已經(jīng)給出，但是它們都不能應(yīng)用于開關(guān)損耗。

本文將詳細(xì)闡述基于有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的分析模型，該模型專門用于評(píng)估HF EMI噪聲和開關(guān)損耗方面的開關(guān)特性。

開關(guān)暫態(tài)的解析模型

圖1顯示了處于開關(guān)瞬態(tài)階段且基于電感鉗位電路的SiC MOSFET建模過(guò)程，該電感鉗位電路幾乎沒(méi)有稱為Cgs，Cds和Cgd的關(guān)鍵寄生參數(shù)。由于寄生參數(shù)會(huì)對(duì)SiC MOSFET的特性產(chǎn)生重大影響，因此應(yīng)該對(duì)建模進(jìn)行重要考慮。

圖1：電感鉗位電路的拓?fù)?/p>

導(dǎo)通狀態(tài)的表征

導(dǎo)通瞬變中還有4個(gè)子階段。這四個(gè)子階段顯示了電感鉗位電路中柵極和功率柵極環(huán)路之間的關(guān)系[14]。這些子階段被命名為

子階段S11（接通延遲）

子階段S12（電流換向）

子級(jí)S13（電壓換向）

子階段S14（開啟振鈴）

關(guān)斷狀態(tài)的表征

就像在“開啟”中一樣，“關(guān)閉”狀態(tài)的表征也包含4個(gè)子階段。在這里可以正確地說(shuō)，在子級(jí)S11（接通延遲），子級(jí)S12（電流換向）和子級(jí)S13（電壓換向）的接通狀態(tài)下使用的機(jī)制是相似的后續(xù)步驟，例如S21（關(guān)斷延遲），S22（電壓換向）和S23（電流換向）。唯一的變化是在稱為S24的“關(guān)閉”振鈴階段[14]中。

結(jié)電容和跨導(dǎo)建模

CV特性曲線說(shuō)明結(jié)電容的基于Si的器件和SiC MOSFET非線性。CV特性的曲線擬合具有解釋這些電容建模的能力。圖2顯示了擬合和測(cè)量的CV特性曲線之間的比較，而圖3顯示了擬合和測(cè)量的IV特性曲線之間的比較，可以表征跨導(dǎo)。

使用FSM建模開關(guān)狀態(tài)

FSM的采用說(shuō)明了瞬態(tài)切換過(guò)程中各子級(jí)之間的相互作用。圖4顯示了FSM的流程圖。表1和表2分別顯示了在開啟和關(guān)閉瞬態(tài)期間FSM的重要功能。

模擬與實(shí)驗(yàn)

仿真環(huán)境

半橋模塊中的輸出端子（Vds，Vak和Id）以及FSM已與源連接，該源提供實(shí)現(xiàn)信號(hào)接口和電氣接口之間轉(zhuǎn)換所需的電壓/電流[14]。表3列出了寄生參數(shù)的值。

表3：寄生參數(shù)值

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖5顯示了實(shí)驗(yàn)的設(shè)置。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇了Wolfspeed的C3M0120090D和CVFD20065A作為SiC MOSFET和SiC SBD [14]。雙脈沖信號(hào)已被用來(lái)控制由DSPc產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng)[14]。Lecroy Wave-Runner 8404-M用于獲取開關(guān)波形。電壓探頭PPE2KV（2 kV，400 MHz）用于測(cè)量漏源電壓，而漏極電流則是通過(guò)按比例縮小的電流互感器（CT）與電流探頭TCP312A（30 A ，100 MHz）[14]。

圖5：實(shí)驗(yàn)設(shè)置

結(jié)果與分析

用于該實(shí)驗(yàn)的條件是vdc = 600/400 V，iL = 15 A，Rg（ex）在10到47Ω之間變化[14]。vds的計(jì)算包括在MOSFET的引線電感（Ld和Ls）中的實(shí)際測(cè)量中所施加的電壓降。從仿真結(jié)果可以清楚地表明，該分析模型可用于評(píng)估SiC MOSFET的開關(guān)特性。結(jié)果還表明，可以降低高頻EMI，但要以開關(guān)損耗為代價(jià)[14]。

結(jié)論

本文已經(jīng)闡述了基于FSM的分析模型，用于評(píng)估SiC MOSFET的開關(guān)特性，包括瞬態(tài)響應(yīng)速度，開關(guān)損耗和HF EMI噪聲。FSM用于分析性地對(duì)開關(guān)瞬態(tài)進(jìn)行建模，它負(fù)責(zé)過(guò)渡階段每個(gè)子級(jí)的表征和分析，以及CV和IV特性的建模。基于仿真與實(shí)驗(yàn)的比較，得出不同方面的結(jié)論。可以得出結(jié)論，此處實(shí)驗(yàn)的模型具有全面評(píng)估開關(guān)特性的能力，并且有望為具有高頻HF和采用SiC MOSFET進(jìn)行高密度設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換器提供更多指導(dǎo)。

想要查詢更多的信息：

[1] S. Yin，Tseng KJ，R。Simanjorang，Y。Liu和J. Pou，“適用于更多電動(dòng)飛機(jī)的50 kW高頻高效SiC電壓源逆變器”，IEEE Trans。工業(yè)電氣，卷。64，不。2017年11月，第9124-9134頁(yè)。

[2] F. Wang，Z。Zhang，T。Ericsen，R。Raju，R。Burgos和D. Boroyevich，“船用系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)步”，IEEE論文集，第1卷。103號(hào)12月，第2285-2311頁(yè)，2015年。

[3] X.Ding，M.Du，T。Zhou，H。Guo和C. Zhang，“碳化硅MOSFET與基于IGBT的電動(dòng)汽車牽引系統(tǒng)之間的綜合比較”，《應(yīng)用能源》，第1卷，第1期。194，第626–634頁(yè)，2017年。

[4] X. She，AQ Huang，O。Lucia和B. Ozpineci，“碳化硅功率器件及其應(yīng)用綜述”，《 IEEE電子工業(yè)交易》，第1卷。64，不。10，第8193–8205頁(yè)，2017年。

[5] L. Zhang，X。Yuan，X。Wu，C。Shi，J。Zhang和Y. Zhang，“與Si IGBT模塊相比，大功率SiC MOSFET模塊的性能評(píng)估”，《 IEEE Transactions on Power》電子，卷。34號(hào)2，第1181–1196頁(yè)，2019年。

[6] TR McNutt，AR Hefner，HA Mantooth，D。Berning和S.-H。Ryu，“碳化硅功率MOSFET模型和參數(shù)提取序列”，《電力電子IEEE交易》，第1卷。22號(hào)2，第353-363頁(yè)，2007年。

[7] S. Yin，P。Tu，P。Wang，TJ Tseng，C。Qi，X。Hu，M。Zagrodnik和R. Simanjorang，“用于開關(guān)損耗的SiC半橋模塊的精確子電路模型優(yōu)化，”《 IEEE工業(yè)應(yīng)用交易》，第1卷。53號(hào)4，頁(yè)3840-3848，2017。

[8] Z. Chen，“ SiC有源器件的高開關(guān)速度特性的表征和建模”，碩士論文，弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)，美國(guó)布萊克斯堡，2009年。

[9] MR Ahmed，R。Todd和AJ Forsyth，“預(yù)測(cè)硬開關(guān)，軟開關(guān)和錯(cuò)誤導(dǎo)通條件下的SiC MOSFET行為”，《 IEEE Transactions on Industrial Electronics》，第1卷。64，不。2017年11月，頁(yè)9001–9011。

[10] J. Wang，HS-h。鐘和RT-h。Li，“寄生元件對(duì)MOS-FET開關(guān)性能的影響的表征和實(shí)驗(yàn)評(píng)估”，《 IEEE電力電子學(xué)報(bào)》，第1卷。28號(hào)1，第573–590頁(yè)，2013年。

[11] M. Liang，TQ Zheng和Y. Li，“用于預(yù)測(cè)SiC MOSFET開關(guān)性能的改進(jìn)分析模型”，《電力電子學(xué)報(bào)》，第1卷。16號(hào)1，第374–387頁(yè)，2016年。

[12]王X.Zhao Zhao，K。Li，Y。Zhu和K. Chen，“ SiC MOSFET損耗計(jì)算的分析方法論”，《 IEEE新興和精選電子期刊》，第1卷。7號(hào)1，第71–83頁(yè)，2019年。

[13] T. Liu，R。Ning，TTY Wong和ZJ Shen，“ SiC MOSFET開關(guān)振蕩的建模和分析”，《 IEEE電子學(xué)新興和精選主題期刊》，第1卷。4，沒(méi)有3，第747–756頁(yè)，2016年。[14]基于有限狀態(tài)機(jī)的SiC MOSFET開關(guān)特性的解析模型吳英哲，山銀2和惠麗1 1電子科技大學(xué)航天航空學(xué)院中國(guó)，成都2中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，中國(guó)成都

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