碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)等寬帶隙材料由于其電氣特性已被證明優于硅,因此在電力電子應用中占據領先地位。盡管被廣泛接受,專家們仍不斷檢查其真實性。
SiC MOSFET尤其用于在高溫和開關頻率下工作的轉換器。然而,隨著開關速率的增加,寄生電感和工作溫度產生的影響也會增加(更準確地說,跨導是主要的溫度敏感參數)。因此,在每個 MOSFET 功率模塊設計中,分析開關行為非常重要。
有不同的分析技術可用于評估這些半導體的開關行為。然而,這里的重點將放在分析模型上,該模型使用基本數學方程來描述切換行為。從實現的角度來看,這種方法的部分優勢在于其節省時間和靈活的特性。
然而,它的準確性取決于用于描述系統的方程以及它們的求解方式。該評論檢查跨導非線性,已通過靜態和動態測試驗證,以驗證模型的準確性。靜態測試測量器件在不同溫度條件下的傳遞特性,而動態測試將模型產生的預期結果與實驗獲得的結果進行比較。
該模型
用于分析開關行為的電路(如圖 1 所示)是一個雙脈沖測試電路。與硅 MOSFET 發生的情況類似,碳化硅 MOSFET 的開關過程分為四個階段,使用 Matlab 的“ode45”函數求解每個階段的微分方程。
圖1:雙脈沖測試電路
在階段1中,正電壓V drive_on 的施加 導致電容器C gd和C gs充電直到V gs超過閾值電壓(V th )。在此階段,MOSFET 處于關斷狀態。滿足以下等式:
R g · I g = V drive_on – V gs – L s · (dI g / dt) (1)
I g = C gs · (dV gs / dt) + C gd · (dV gd / dt) (2)
V gs = V gd + V ds (3)
當在第 2 階段,V gs超過 V th 時,通道電流開始與 (V gs – V th )成比例增加。漏電流 I d 和漏源電壓 V ds滿足以下等式,其中 g m是跨導:
I d = g m · (V gs – V th ) + C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (4)
V ds = V dc – I d · R d – (L d + L s ) · (dI d / dt) (5)
在第 3 階段,當 V gs 達到等于 (I o / g m ) + V th的米勒平臺時,V ds開始下降到對應于導通狀態的值。同時, 二極管寄生電容 (C d )上的電壓 V d增加,導致 MOSFET 通道中產生反向恢復電流。該階段由以下等式定義:
V ds = V dc – I d · R d – (L d + L s ) · (dI d / dt) – V d (6)
C d · (dV d / dt) = I d – I o (7)
在第 4 階段,V gs增加直到達到值 V drive_on。漏極電流 Id 由以下等式表示,其中 R ds_on是 MOSFET 的導通電阻:
I d = V ds / R ds_on + C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (8)
當它發生在關閉狀態時,V gs開始下降,直到達到米勒平臺。在下一階段,電壓增加,而電流減少。在開關過程的對稱性下,如果 V gs大于或等于 (V ds – V th ),則 MOSFET 滿足等式 (8)。否則,MOSFET 遵守等式 (4)。這種狀態可以用以下等式來描述:
I d = C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (9)
電容和跨導的非線性,分別是 V ds和 V gs 的函數,是通過將 MATLAB 曲線擬合工具應用于每個器件數據表中顯示的值來獲得的。
實驗測試
用于執行測試的設置如圖 2 所示,其中紅色虛線代表被測器件(裸片或直接焊銅)。動態測試時,可以改變源端在PCB上的位置,選擇不同的共源電感值(S 1、S 2、S 3或S 4),而無需改變回路電感。相同的電路可用于靜態測試。
圖 2:測試電路原理圖
審核編輯:湯梓紅
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