由于硅碳化物(SiC)MOSFET器件具有高電壓能力、較低的導通電阻、高溫操作的耐受性以及相對于硅更高的功率密度等固有特性，越來越受到電力系統設計師的青睞。因此，基于SiC的變換器和逆變器是電池驅動的電動車(BEVs)、可再生能源以及其他對效率要求極高應用的最佳選擇。

意識到這些改進的特性，設計師需要使用可靠的工具和方法來估算損耗，以確定合適的冷卻系統，并最終影響整體效率。在2024年亞太電力電子會議(APEC)上發表的一篇論文提出了一種基于對能量損耗特性的非線性擬合操作的損耗估算模型。研究表明，使用這種方法與基于線性近似的最常見數值技術相比，可以顯著提高預測的準確性。

器件級模型與系統級模型：優缺點

估算損耗有兩種不同的模型。

器件級模型旨在開發一個廣泛的MOSFET器件數學開關模型，考慮諸如電容、電導率、體二極管反向恢復以及與封裝和布局相關的寄生電感等參數，利用數據手冊信息或直接測量。在特定的SiC MOSFET情況下，這些工具已被精煉，以考慮更寬的溫度操作范圍和更高的頻率能力。

一般而言，所呈現的模型通常表現出較高的復雜性，并依賴于器件參數，這些參數應通過測量來確定，因為它們并不總是可在供應商的數據手冊中獲得。因此，提出了基于現有數據手冊參數的修改模型。例如，探討了結電容的線性化及其對損耗預測精度的影響，特別是在零電壓開關(ZVS)拓撲方面，使用了在數據手冊中顯示的有限信息。

相反，系統級模型則與應用緊密相關，利用MOSFET制造商提供的數據手冊或實驗結果。然而，由于半導體供應商提供的信息可能既不詳盡也不代表整體SiC MOSFET的操作條件，損耗計算模型的構建方式是通過低復雜度函數對輸入數據進行插值，以捕獲各種測試條件的組合。Onsemi的Elite Power Simulator和Wolfspeed的SpeedFit?設計模擬器是基于這種方法的兩個示例。

總之，器件級模型因對器件開關行為的良好描述而相當準確，適用于各種操作條件而不受限制。無論如何，模型的復雜性由于其計算成本和估算寄生元件所需的額外特征化而構成了挑戰。

系統級模型允許設計師在所需精度和計算成本之間達到可接受的權衡。在任何情況下，運行系統級模型需要制造商的實驗數據集，這些數據集來自SiC供應商設計的特定電源電路布局。此外，寄生參數如雜散電感和電容對最終用戶不可用。所有這些都加劇了由于線性近似例程處理有限數據手冊信息而導致的功率變換器能量損耗的高估。

多項式和樣條插值

參考文獻中建議的方法對數據集的數值進行操作，以執行可能包括多項式或樣條插值的特定擬合過程，從而承諾提供更準確的能量損耗估算。盡管作者在一個特定架構中調試了該方法，即Wolfspeed開發的包含SiC MOSFET C3M0032120Jl的半橋配置評估板，但該方法仍然相當通用。

更具體地說，基于雙脈沖測試(DPT)對這些SiC器件進行了特征化，以實驗性地重現輸入數據集，從而運行損耗模型并考慮評估板的固有寄生參數。最后一步是直接基準測試，將Wolfspeed生成的數值與所提出的損耗模型得出的結果進行比較。

順便提一下，樣條插值是一種強大的數值算法，用于通過給定數據點集使曲線光滑。樣條插值有助于規避高階多項式插值的陷阱，這種插值有時導致過度的振蕩行為，因此在某些較小區間內對輸入數據的圖形表示不同。樣條插值通過使用復合多項式(樣條)而不是定義在整個感興趣區間的一次高階多項式來避免振蕩。常見的樣條類型包括線性、二次和三次樣條。三次樣條尤其受歡迎，因為它們提供了光滑性和靈活性。

新提出的損耗模型

圖1展示了所建議方法的流程圖。值得注意的是，該模型同樣適用于其他功率器件，無論是硅基還是氮化鎵(GaN)。

在選擇目標SiC器件后，開通(Eon)和關斷(Eoff)開關能量損耗作為漏電流ID和結溫Tj的函數進行實驗確定，對于給定的漏源電壓VDS;這在可用的情況下也可以使用數據手冊信息進行。在實際操作中，對于1200V SiC MOSFET，大多數數據手冊在Tj等于25°C時顯示Eon和Eoff與ID在600V和800V下的曲線。不同的是，Eon和Eoff與Tj的特性僅在VDS=800V和固定ID下進行表征，通常與最大連續漏電流相吻合。

關于導通損耗，導通電阻RDS(on)是其依賴的參數，以柵源電壓Vgs、ID和Tj表示，Vgs由選擇合適的柵極驅動器來設定。輸入數據集通過添加典型的體二極管電流-電壓特性(ISD, VSD)在第三象限(反向導通區)進行補充，通常在三個不同的Tj值下提供。更具體地說，在25°C和最大允許結溫Tjmax下的特性在特定應用施加的操作范圍內進行線性化。該過程使得能夠識別零電流下的電壓Vt0以及在兩個Tj值下二極管的動態電阻Rd。

通過實施非線性插值，包括多項式或樣條方法，可以改進特征曲線的形狀，使得能量損耗估算比最常見的線性插值更為準確。之后，根據特定功率變換器的直流連接電壓(VDC)、Tj和與開關及體二極管相關的電流特性，所開發的模型評估總導通損耗(包括晶體管開關和體二極管的損耗)以及晶體管開關損耗。例如，晶體管的開關損耗(下標“t”)和體二極管的開關損耗(下標“d”)可以表示為：

Pcond,t = RDS(on) * I2rms,t 和 Pcond,d = Vt0 * Iav + Rd * I2rms,d，其中兩個Irms表示晶體管和二極管電流的均方根值，而Iav表示平均電流。作為示例，圖2展示了在VDC=600V和Tj=28oC下，Eon和Eoff曲線與ID的關系，并比較了線性插值、多項式插值與實驗數據。

比較分析與結論

為了驗證所提出的損耗模型，Plexim的PLECS(分段線性電氣電路仿真)工具被用作參考。該工具代表了基于能量損耗特性的線性近似的常見數據集。通過使用PLECS執行DPT、所提出的損耗模型和實驗生成的數據所獲得的Eon和Eoff結果在圖3的表格中進行了總結。具體而言，考慮了四種情況，包括未知的VDC(700V)、ID(34A、36A)和Tj(53°C)值，其中在實驗數據集中不可用任何信息。

也考慮了未知值的不同組合，以調查對開關能量損失結果的特定或綜合影響。確實，與當前文獻和用于功率電子設計的數值工具在處理SiC器件數據手冊中有限信息時所執行的最常見線性近似不同，所提出的損耗模型顯示出在所有考慮的操作條件下均達成了更低的估算誤差。