基于有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的SiC MOSFET開關(guān)瞬態(tài)建模

在航空、艦載系統(tǒng)和電動(dòng)汽車領(lǐng)域已經(jīng)觀察到，[1][2][3] 可用的最佳解決方案之一是碳化硅 (SiC) MOSFET，因?yàn)樗哂懈哳l HF 和高-其轉(zhuǎn)換器的密度。與硅基 IGBT 相比，碳化硅 MOSFET 提供更快的開關(guān)和更低的功率損耗。該因素使其能夠以更高級(jí)別的開關(guān)頻率運(yùn)行，估計(jì)為數(shù)百千赫茲。這最終將提高功率轉(zhuǎn)換器的電荷密度和效率 [4] [5]。

與物理建模和香料建模 [6] [7] 相比，分析建模具有在準(zhǔn)確性和簡單性之間有效權(quán)衡的趨勢。

大量模型，例如開關(guān)瞬態(tài)、寄生參數(shù)的影響、開關(guān)損耗、開關(guān)振蕩和高頻 (HF) 電磁干擾 (EMI) 噪聲，[8][9][10][11][12][ 13] 分別已經(jīng)給出，但它們都不能應(yīng)用于開關(guān)損耗。

本文將詳細(xì)闡述基于有限狀態(tài)機(jī) (FSM) 的分析建模，專門用于評(píng)估 HF EMI 噪聲和開關(guān)損耗方面的開關(guān)特性。請(qǐng)?jiān)L問本文以獲取完整信息。

開關(guān)瞬態(tài)分析建模

圖 1 顯示了處于開關(guān)瞬態(tài)階段的 SiC MOSFET 建模過程，該過程基于電感鉗位電路，該電路具有很少的關(guān)鍵寄生參數(shù) Cgs、Cds 和 Cgd。由于寄生參數(shù)對(duì) SiC MOSFET 的特性有很大影響，因此在建模時(shí)應(yīng)給予重要考慮。

圖 1：電感鉗位電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開啟狀態(tài)的表征

開啟瞬態(tài)還有 4 個(gè)子階段。這四個(gè)子階段顯示了電感鉗位電路 [14] 中柵極和功率柵極回路之間的關(guān)系。這些子階段被命名為

子階段 S11（開啟延遲）

子級(jí) S12（電流換向）

子級(jí) S13（電壓換向）

子階段 S14（開啟振鈴）

關(guān)斷狀態(tài)的表征

正如在 Turn-on 中一樣，Turn-off 狀態(tài)的表征也包括 4 個(gè)子階段。在這里可以正確地說，子級(jí) S11（接通延遲）、子級(jí) S12（電流換向）和子級(jí) S13（電壓換向）在接通狀態(tài)下使用的機(jī)制是相似的用于后續(xù)步驟，例如 S21（關(guān)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(guān)閉振鈴階段 [14]。?

結(jié)電容和跨導(dǎo)建模

CV 特性曲線說明了基于 Si 的器件和結(jié)電容的 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，這允許表征跨導(dǎo)。

圖 2：擬合和測量的 CV 特性

圖 3：擬合和測量的 IV 特性

使用 FSM 對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行建模

FSM 的采用說明了開關(guān)瞬態(tài)過程中子級(jí)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 FSM 在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬態(tài)期間的重要特性。

表 1：FSM 在開啟狀態(tài)下的特性

表 2：FSM 在關(guān)閉狀態(tài)下的特性

圖 4：FSM 流程圖

模擬與實(shí)驗(yàn)

模擬環(huán)境

輸出端子（Vds、Vak 和 Id）以及半橋塊中的 FSM 已與提供電壓/電流的源連接，這是實(shí)現(xiàn)信號(hào)接口和電接口之間轉(zhuǎn)換所必需的 [14]。表 3 顯示了寄生參數(shù)的值。

表 3：寄生參數(shù)值

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖 5 顯示了實(shí)驗(yàn)的設(shè)置。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，來自 Wolfspeed 的 C3M0120090D 和 CVFD20065A 被選為 SiC MOSFET 和 SiC SBD [14]。雙脈沖信號(hào)已用于控制由 DSPc 產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng) [14]。Lecroy Wave-Runner 8404-M 用于獲取開關(guān)波形。電壓探頭 PPE2KV（2 kV，400 MHz）用于測量漏源電壓，而漏電流則借助與電流探頭 TCP312A（30 A）相結(jié)合的按比例縮小的電流互感器 (CT) 測量, 100 MHz) [14]。

圖 5：實(shí)驗(yàn)設(shè)置

結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)使用的條件是 vdc=600 /400 V，iL=15 A，Rg (ex) 從 10 到 47 Ω [14]。vds 的計(jì)算涉及它們上的電壓降，作為 MOSFET 引線電感（Ld 和 Ls）的實(shí)際測量值。從仿真結(jié)果可以清楚地表明，該分析模型可用于評(píng)估 SiC MOSFET 的開關(guān)特性。結(jié)果還表明，可以降低高頻 EMI，但代價(jià)是開關(guān)損耗 [14]。

結(jié)論

本文闡述了基于 FSM 的分析建模，用于評(píng)估 SiC MOSFET 的瞬態(tài)響應(yīng)速度、開關(guān)損耗和 HF EMI 噪聲方面的開關(guān)特性。FSM 用于對(duì)開關(guān)瞬態(tài)進(jìn)行解析建模，它負(fù)責(zé)過渡階段每個(gè)子階段的表征和分析以及 CV 和 IV 特性的建模。基于模擬和實(shí)驗(yàn)的比較，得出了不同的方面?？梢缘贸鼋Y(jié)論，這里實(shí)驗(yàn)的模型具有綜合評(píng)估開關(guān)特性的能力，有望為具有高頻HF和SiC MOSFET高密度設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換器提供更多指導(dǎo)。

審核編輯：湯梓紅