作者：Maurizio Di Paolo Emilio

在航空，艦船系統和電動汽車領域已經發現，[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，寄生參數的影響，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。

開關暫態的解析模型

圖1顯示了處于開關瞬態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。由于寄生參數會對SiC MOSFET的特性產生重大影響，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）

關斷狀態的表征

就像在“開啟”中一樣，“關閉”狀態的表征也包含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）的接通狀態下使用的機制是相似的后續步驟，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

FSM的采用說明了瞬態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期間FSM的重要功能。

模擬與實驗

仿真環境

半橋模塊中的輸出端子（Vds，Vak和Id）以及FSM已與源連接，該源提供實現信號接口和電氣接口之間轉換所需的電壓/電流[14]。表3列出了寄生參數的值。

表3：寄生參數值

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產生的柵極驅動[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。基于仿真與實驗的比較，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，“船用系統的功率轉換和驅動器的進步”，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化，”《 IEEE工業應用交易》，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模”，碩士論文，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與太赫茲研究中心，中國成都

編輯：hfy