在航空、艦載系統和電動汽車領域已經觀察到，[1][2][3] 可用的最佳解決方案之一是碳化硅 (SiC) MOSFET，因為它具有高頻 HF 和高-其轉換器的密度。與硅基 IGBT 相比，碳化硅 MOSFET 提供更快的開關和更低的功率損耗。該因素使其能夠以更高級別的開關頻率運行，估計為數百千赫茲。這最終將提高功率轉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，分析建模具有在準確性和簡單性之間有效權衡的趨勢。

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，[8][9][10][11][12][ 13] 分別已經給出，但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) 的分析建模，專門用于評估 HF EMI 噪聲和開關損耗方面的開關特性。請訪問本文以獲取完整信息。

開關瞬態分析建模

圖 1 顯示了處于開關瞬態階段的 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鍵寄生參數 Cgs、Cds 和 Cgd。由于寄生參數對 SiC MOSFET 的特性有很大影響，因此在建模時應給予重要考慮。

圖 1：電感鉗位電路的拓撲結構

開啟狀態的表征

開啟瞬態還有 4 個子階段。這四個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系。這些子階段被命名為

子階段 S11（開啟延遲）

子級 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

正如在 Turn-on 中一樣，Turn-off 狀態的表征也包括 4 個子階段。在這里可以正確地說，子級 S11（接通延遲）、子級 S12（電流換向）和子級 S13（電壓換向）在接通狀態下使用的機制是相似的用于后續步驟，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]。?

結電容和跨導建模

CV 特性曲線說明了基于 Si 的器件和結電容的 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。

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 對開關狀態進行建模

FSM 的采用說明了開關瞬態過程中子級的相互作用。圖 4 顯示了 FSM 的流程圖。表 1 和表 2 分別顯示了 FSM 在導通和關斷瞬態期間的重要特性。

表 1：FSM 在開啟狀態下的特性

表 2：FSM 在關閉狀態下的特性

圖 4：FSM 流程圖

模擬與實驗

模擬環境

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，這是實現信號接口和電接口之間轉換所必需的 [14]。表 3 顯示了寄生參數的值。

表 3：寄生參數值

實驗設置

圖 5 顯示了實驗的設置。在這個實驗中，來自 Wolfspeed 的 C3M0120090D 和 CVFD20065A 被選為 SiC MOSFET 和 SiC SBD [14]。雙脈沖信號已用于控制由 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，而漏電流則借助與電流探頭 TCP312A（30 A）相結合的按比例縮小的電流互感器 (CT) 測量, 100 MHz) [14]。

圖 5：實驗設置

結果與分析

本實驗使用的條件是 vdc=600 /400 V，iL=15 A，Rg (ex) 從 10 到 47 Ω [14]。vds 的計算涉及它們上的電壓降，作為 MOSFET 引線電感（Ld 和 Ls）的實際測量值。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，但代價是開關損耗 [14]。

結論

本文闡述了基于 FSM 的分析建模，用于評估 SiC MOSFET 的瞬態響應速度、開關損耗和 HF EMI 噪聲方面的開關特性。FSM 用于對開關瞬態進行解析建模，它負責過渡階段每個子階段的表征和分析以及 CV 和 IV 特性的建模。基于模擬和實驗的比較，得出了不同的方面。可以得出結論，這里實驗的模型具有綜合評估開關特性的能力，有望為具有高頻HF和SiC MOSFET高密度設計的功率轉換器提供更多指導。

審核編輯：湯梓紅