基于有限狀態(tài)機（FSM）的SiC MOSFET開關瞬態(tài)建模分析模型

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

在航空，艦船系統(tǒng)和電動汽車領域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，[1] [2] [3]最好的解決方案之一是碳化硅（SiC）MOSFET，因為它具有高頻HF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速度和更低的功耗。這個因素使其能夠以更高的開關頻率工作，該開關頻率估計為幾百千赫茲。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，分析模型具有在準確性和簡單性之間做出有效權衡的趨勢[6] [7]。

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

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

開關暫態(tài)的解析模型

圖1顯示了處于開關瞬態(tài)階段且基于電感鉗位電路的SiC MOSFET建模過程，該電感鉗位電路幾乎沒有稱為Cgs，Cds和Cgd的關鍵寄生參數(shù)。由于寄生參數(shù)會對SiC MOSFET的特性產(chǎn)生重大影響，因此應該對建模進行重要考慮。

圖1：電感鉗位電路的拓撲

導通狀態(tài)的表征

導通瞬變中還有4個子階段。這四個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S13（電壓換向）

子階段S14（開啟振鈴）

關斷狀態(tài)的表征

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

結電容和跨導建模

CV特性曲線說明結電容的基于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顯示了擬合和測量的CV特性曲線之間的比較，而圖3顯示了擬合和測量的IV特性曲線之間的比較，可以表征跨導。

使用FSM建模開關狀態(tài)

FSM的采用說明了瞬態(tài)切換過程中各子級之間的相互作用。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閉瞬態(tài)期間FSM的重要功能。

模擬與實驗

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，該源提供實現(xiàn)信號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

實驗設置

圖5顯示了實驗的設置。在本實驗中，選擇了Wolfspeed的C3M0120090D和CVFD20065A作為SiC MOSFET和SiC SBD [14]。雙脈沖信號已被用來控制由DSPc產(chǎn)生的柵極驅(qū)動[14]。Lecroy Wave-Runner 8404-M用于獲取開關波形。電壓探頭PPE2KV（2 kV，400 MHz）用于測量漏源電壓，而漏極電流則是通過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：實驗設置

結果與分析

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

結論

本文已經(jīng)闡述了基于FSM的分析模型，用于評估SiC MOSFET的開關特性，包括瞬態(tài)響應速度，開關損耗和HF EMI噪聲。FSM用于分析性地對開關瞬態(tài)進行建模，它負責過渡階段每個子級的表征和分析，以及CV和IV特性的建模?；诜抡媾c實驗的比較，得出不同方面的結論。可以得出結論，此處實驗的模型具有全面評估開關特性的能力，并且有望為具有高頻HF和采用SiC MOSFET進行高密度設計的功率轉(zhuǎn)換器提供更多指導。

想要查詢更多的信息：

[1] S. Yin，Tseng KJ，R。Simanjorang，Y。Liu和J. Pou，“適用于更多電動飛機的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。

[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)動器的進步”，IEEE論文集，第1卷。103號12月，第2285-2311頁，2015年。

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

[4] X. She，AQ Huang，O。Lucia和B. Ozpineci，“碳化硅功率器件及其應用綜述”，《 IEEE電子工業(yè)交易》，第1卷。64，不。10，第8193–8205頁，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模塊的性能評估”，《 IEEE Transactions on Power》電子，卷。34號2，第1181–1196頁，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2，第353-363頁，2007年。

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

[8] Z. Chen，“ SiC有源器件的高開關速度特性的表征和建?！保T士論文，弗吉尼亞理工學院和州立大學，美國布萊克斯堡，2009年。

[9] MR Ahmed，R。Todd和AJ Forsyth，“預測硬開關，軟開關和錯誤導通條件下的SiC MOSFET行為”，《 IEEE Transactions on Industrial Electronics》，第1卷。64，不。2017年11月，頁9001–9011。

[10] J. Wang，HS-h。鐘和RT-h。Li，“寄生元件對MOS-FET開關性能的影響的表征和實驗評估”，《 IEEE電力電子學報》，第1卷。28號1，第573–590頁，2013年。

[11] M. Liang，TQ Zheng和Y. Li，“用于預測SiC MOSFET開關性能的改進分析模型”，《電力電子學報》，第1卷。16號1，第374–387頁，2016年。

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

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

編輯：hfy