非線性損耗模型：提升SiC變換器性能估算的準(zhǔn)確性

由于硅碳化物(SiC)MOSFET器件具有高電壓能力、較低的導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計師的青睞。因此，基于SiC的變換器和逆變器是電池驅(qū)動的電動車(BEVs)、可再生能源以及其他對效率要求極高應(yīng)用的最佳選擇。

意識到這些改進(jìn)的特性，設(shè)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(tǒng)，并最終影響整體效率。在2024年亞太電力電子會議(APEC)上發(fā)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(shù)值技術(shù)相比，可以顯著提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

器件級模型與系統(tǒng)級模型：優(yōu)缺點

估算損耗有兩種不同的模型。

器件級模型旨在開發(fā)一個廣泛的MOSFET器件數(shù)學(xué)開關(guān)模型，考慮諸如電容、電導(dǎo)率、體二極管反向恢復(fù)以及與封裝和布局相關(guān)的寄生電感等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)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(xiàn)的模型通常表現(xiàn)出較高的復(fù)雜性，并依賴于器件參數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)通過測量來確定，因為它們并不總是可在供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊中獲得。因此，提出了基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)手冊參數(shù)的修改模型。例如，探討了結(jié)電容的線性化及其對損耗預(yù)測精度的影響，特別是在零電壓開關(guān)(ZVS)拓?fù)浞矫妫褂昧嗽跀?shù)據(jù)手冊中顯示的有限信息。

相反，系統(tǒng)級模型則與應(yīng)用緊密相關(guān)，利用MOSFET制造商提供的數(shù)據(jù)手冊或?qū)嶒灲Y(jié)果。然而，由于半導(dǎo)體供應(yīng)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(gòu)建方式是通過低復(fù)雜度函數(shù)對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計模擬器是基于這種方法的兩個示例。

總之，器件級模型因?qū)ζ骷_關(guān)行為的良好描述而相當(dāng)準(zhǔn)確，適用于各種操作條件而不受限制。無論如何，模型的復(fù)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(gòu)成了挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)級模型允許設(shè)計師在所需精度和計算成本之間達(dá)到可接受的權(quán)衡。在任何情況下，運行系統(tǒng)級模型需要制造商的實驗數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集來自SiC供應(yīng)商設(shè)計的特定電源電路布局。此外，寄生參數(shù)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(shù)據(jù)手冊信息而導(dǎo)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(xiàn)中建議的方法對數(shù)據(jù)集的數(shù)值進(jìn)行操作，以執(zhí)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(zhǔn)確的能量損耗估算。盡管作者在一個特定架構(gòu)中調(diào)試了該方法，即Wolfspeed開發(fā)的包含SiC MOSFET C3M0032120Jl的半橋配置評估板，但該方法仍然相當(dāng)通用。

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

順便提一下，樣條插值是一種強(qiáng)大的數(shù)值算法，用于通過給定數(shù)據(jù)點集使曲線光滑。樣條插值有助于規(guī)避高階多項式插值的陷阱，這種插值有時導(dǎo)致過度的振蕩行為，因此在某些較小區(qū)間內(nèi)對輸入數(shù)據(jù)的圖形表示不同。樣條插值通過使用復(fù)合多項式(樣條)而不是定義在整個感興趣區(qū)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(biāo)SiC器件后，開通(Eon)和關(guān)斷(Eoff)開關(guān)能量損耗作為漏電流ID和結(jié)溫Tj的函數(shù)進(jìn)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(shù)據(jù)手冊信息進(jìn)行。在實際操作中，對于1200V SiC MOSFET，大多數(shù)數(shù)據(jù)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(jìn)行表征，通常與最大連續(xù)漏電流相吻合。

關(guān)于導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通電阻RDS(on)是其依賴的參數(shù)，以柵源電壓Vgs、ID和Tj表示，Vgs由選擇合適的柵極驅(qū)動器來設(shè)定。輸入數(shù)據(jù)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?qū)▍^(qū))進(jìn)行補(bǔ)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(jié)溫Tjmax下的特性在特定應(yīng)用施加的操作范圍內(nèi)進(jìn)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(tài)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(jìn)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(zhǔn)確。之后，根據(jù)特定功率變換器的直流連接電壓(VDC)、Tj和與開關(guān)及體二極管相關(guān)的電流特性，所開發(fā)的模型評估總導(dǎo)通損耗(包括晶體管開關(guān)和體二極管的損耗)以及晶體管開關(guān)損耗。例如，晶體管的開關(guān)損耗(下標(biāo)“t”)和體二極管的開關(guān)損耗(下標(biāo)“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(guān)系，并比較了線性插值、多項式插值與實驗數(shù)據(jù)。

比較分析與結(jié)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(shù)據(jù)集。通過使用PLECS執(zhí)行DPT、所提出的損耗模型和實驗生成的數(shù)據(jù)所獲得的Eon和Eoff結(jié)果在圖3的表格中進(jìn)行了總結(jié)。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(shù)據(jù)集中不可用任何信息。

也考慮了未知值的不同組合，以調(diào)查對開關(guān)能量損失結(jié)果的特定或綜合影響。確實，與當(dāng)前文獻(xiàn)和用于功率電子設(shè)計的數(shù)值工具在處理SiC器件數(shù)據(jù)手冊中有限信息時所執(zhí)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(dá)成了更低的估算誤差。