使用LTspice估算SiC MOSFET的開關(guān)損耗

電力推進(jìn)正越來越多地應(yīng)用于所有技術(shù)領(lǐng)域。工業(yè)、交通、家庭自動化和其他部門越來越多地使用可再生能源。

為了正確利用這種能源，必須采用并大量使用轉(zhuǎn)換器，其目的是將一種能源轉(zhuǎn)換成另一種更適合最終使用的能源。今天，這些公司專注于減少轉(zhuǎn)換器的重量和體積，以及提高它們的效率。使設(shè)備更輕的一種方法是增加開關(guān)頻率。此外，今天的開關(guān)元件沒有非常高的運(yùn)行速度，不幸的是，在轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會損失一些能量（幸運(yùn)的是，隨著新電子元件的出現(xiàn)，這種能量越來越少）。讓我們看看如何使用“LTspice”仿真程序來確定 SiC MOSFET 的開關(guān)損耗率。

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開關(guān)損耗

電力從一個層面到另一個層面的轉(zhuǎn)變代表了一項旨在優(yōu)化效率的技術(shù)挑戰(zhàn)。最大的困難是與在開關(guān)瞬態(tài)期間抵消設(shè)備狀態(tài)變化期間的能量損失有關(guān)的困難。事實(shí)上，當(dāng)漏電流和漏源電壓的值都大于零時，就會出現(xiàn) MOSFET 的功耗。SPWM 模式下晶體管的正弦調(diào)制的平均功率損耗由圖 1 中的公式確定。

圖 1：確定 SPWM 狀態(tài)下晶體管功率損耗的公式。

其數(shù)值參數(shù)如下：

f（sw）：是逆變器的開關(guān)頻率；

E（T， on）：是導(dǎo)通狀態(tài)下開關(guān)能量的損耗；

E（T， off）：是關(guān)斷狀態(tài)下的開關(guān)能量損耗。

IGBT 可以處理 5 kV 的電壓和 1000 A 的電流，但開關(guān)頻率不能超過 100 kHz。MOSFET 在高開關(guān)頻率（甚至 MHz 量級）下工作良好，但其特點(diǎn)是導(dǎo)通電阻相對較高，傳導(dǎo)損耗高，電壓限制低于 600 V。理論上，SiC 器件可以克服這些問題。基于 SiC 的器件與基于 Si 的器件相比具有多個優(yōu)勢，例如減少能量損失和高開關(guān)頻率。由于較小的內(nèi)部電容，它們在 ON-OFF 轉(zhuǎn)換期間也造成較少的損失。這些特性有助于提高轉(zhuǎn)換器的效率并減少其重量和尺寸。不幸的是，碳化硅 MOSFET（與所有其他開關(guān)元件一樣）是真正的器件并且具有開關(guān)損耗。這些發(fā)生在導(dǎo)通期間的非零壓降以及開啟和關(guān)閉之間的非理想和不同步轉(zhuǎn)換。技術(shù)不斷尋求改進(jìn)電子元件，以實(shí)現(xiàn)非常高的工作速度和非常低的工作阻抗。

靜態(tài)分析

盡管 SiC MOSFET 的 RDS （on） 電阻越來越低，但在大功率下存在明顯的損耗。讓我們看一下圖 2中的圖表，觀察電路的靜態(tài)行為。運(yùn)行參數(shù)如下：

VCC：48V；

電壓：20 伏；

電壓：799.28893 毫伏；

R（負(fù)載）：5 歐姆；

I（負(fù)載）：9.4401426 A；

PD（負(fù)載）：445.58144 W。

電路效率為：

Eff = P（輸出）/P（輸入）* 100

從中：

效率 = 445.58144W / 453.12685W * 100

效率 = 98.335%

因此，在靜態(tài)操作中，電路本身在導(dǎo)通狀態(tài)下會出現(xiàn)損耗，因?yàn)殡娮娱_關(guān)并不理想，但電阻非常小。該電阻越低，電路的效率就越高。相同的電路允許我們計算 SiC 的 RDS（on），檢查漏極和源極之間的電壓以及通過它們的電流：

RDS （on） = （Vd – Vs） / Id

從中：

RDS （on） = （799.28893mV – 0） / 9.4401426 A

RDS（開）= 0.084669

實(shí)際上，它的行為幾乎就像一個閉合的開關(guān)，也證實(shí)了 SiC 制造商 UF3C065080T3S 官方數(shù)據(jù)表中報告的規(guī)格，該數(shù)據(jù)表證明典型電阻為 80 毫歐。我們還可以通過將 MOSFET 的柵極接地并使用相同的公式測量電阻來計算 RDS（關(guān)斷）電阻：

RDS （off） = （Vd – Vs） / Id

從中：

RDS（關(guān)閉）= （47.999928V – 0） / 14.797931 uA

RDS（關(guān)閉）= 3243691.83773 歐姆

它實(shí)際上幾乎就像一個打開的開關(guān)。

圖2：測量RDS（on）、RDS（off）和效率的接線圖

動態(tài)分析

現(xiàn)在讓我們檢查動態(tài)和工作條件下 MOSFET 在 ON-OFF 開關(guān)階段的行為。如前所述，盡管它們具有出色的功率、速度和低電阻特性，但電子開關(guān)的行為并不理想（參見圖 3 中的接線圖）。由于這些原因，所有轉(zhuǎn)換電路都會受到不同開關(guān)損耗的影響。

圖 3：檢查功率損耗的接線圖

事實(shí)上，由于非理想的轉(zhuǎn)換會造成功率損耗，即狀態(tài)的變化不是瞬時的，也不是同時發(fā)生的。換句話說，電壓和電流轉(zhuǎn)變不會同時發(fā)生。結(jié)果是功率損失，如圖 4中的圖表所示。由于事件的這種非同時性，在 ON-OFF 事務(wù)期間損失的能量很高。在圖中，我們可以觀察到以下信號：

綠色信號：它是從 48 V 切換到幾乎 0 V 的漏極電壓。在示例中，開關(guān)頻率為 100 kHz；

淡藍(lán)色信號：這是流經(jīng)Drain（和負(fù)載）的電流，其值約為9.4 A。顯然該信號與電壓相位相反；

紅色信號：它是 MOSFET 消耗的功率，關(guān)系為 V （Vd） * Ix （X1： nd） + V （Vg） * Ix （X1： ng）。如您所見，其最大峰值（115.27 W）位于逆變器狀態(tài)變化處，峰值持續(xù)時間為幾納秒。

減少開關(guān)損耗的一種方法是產(chǎn)生零電壓 （ZVS） 或零電流 （ZCS） 開關(guān)元件轉(zhuǎn)換。為此，可以實(shí)施“軟切換”和“硬切換”解決方案。

圖 4：該圖顯示了開關(guān)轉(zhuǎn)換期間 MOSFET 電壓、電流和功率的值

結(jié)論

開關(guān)瞬態(tài)的分析建模是了解 SiC MOSFET 開關(guān)行為的有用方法。旨在計算功率損耗的仿真需要使用出色的 SPICE 模型。許多模型目前非常復(fù)雜或出現(xiàn)故障和近似，從而產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。在任何情況下，都有不同的技術(shù)來改進(jìn)開關(guān)系統(tǒng)并提高電力轉(zhuǎn)換電路的效率。

審核編輯：郭婷