碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)等寬帶隙材料由于其電氣特性已被證明優(yōu)于硅，因此在電力電子應(yīng)用中占據(jù)領(lǐng)先地位。盡管被廣泛接受，但專家們?nèi)栽诓粩鄼z查其真實(shí)性。

特別是SiC MOSFET用于在高溫和開關(guān)頻率下工作的轉(zhuǎn)換器。然而，隨著開關(guān)速率的增加，寄生電感和工作溫度產(chǎn)生的影響也會(huì)增加(更準(zhǔn)確地說，跨導(dǎo)是主要的溫度敏感參數(shù))。因此，在每個(gè) MOSFET 功率模塊設(shè)計(jì)中，分析開關(guān)行為非常重要。

有不同的分析技術(shù)可用于評(píng)估這些半導(dǎo)體的開關(guān)行為。然而，這里的重點(diǎn)將放在分析模型上，它使用基本的數(shù)學(xué)方程來描述開關(guān)行為。從實(shí)現(xiàn)的角度來看，這種方法的部分優(yōu)勢(shì)在于其節(jié)省時(shí)間和靈活的特性。

然而，其準(zhǔn)確性取決于用于描述系統(tǒng)的方程以及它們的求解方式。這篇評(píng)論通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證了跨導(dǎo)非線性，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。靜態(tài)測(cè)試測(cè)量器件在不同溫度條件下的傳遞特性，而動(dòng)態(tài)測(cè)試將模型產(chǎn)生的預(yù)期結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。

模型電路

用于分析開關(guān)行為的電路(如圖 1 所示)是一個(gè)雙脈沖測(cè)試電路。與硅 MOSFET 發(fā)生的情況類似，SiC MOSFET 的開關(guān)過程分為四個(gè)階段，使用 Matlab 的“ode45”函數(shù)求解每個(gè)階段的微分方程。

圖1：雙脈沖測(cè)試電路

在階段1，正電壓V drive_on的施加 使電容器C gd和C gs充電直到V gs超過閾值電壓(V th )。在這個(gè)階段，MOSFET 關(guān)閉。滿足以下等式：

R g · I g = V drive_on – V gs – L s · (dI g / dt) (1)

I g = C gs · (dV gs / dt) + C gd · (dV gd / dt) (2)

V gs = V gd + V ds (3)

當(dāng)在第 2 階段，V gs超過 V th時(shí)，溝道電流開始與 (V gs – V th ) 成比例增加。漏極電流 I d 和漏源電壓 V ds滿足以下等式，其中 g m是跨導(dǎo)：

I d = g m · (V gs – V th ) + C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (4)

V ds = V dc – I d · R d – (L d + L s ) · (dI d / dt) (5)

在第 3 階段，當(dāng) V gs 達(dá)到等于 (I o / g m ) + V th的米勒平臺(tái)時(shí)，V ds開始下降到對(duì)應(yīng)于 ON 狀態(tài)的值。同時(shí)，二極管(C d ) 的寄生電容上的電壓 V d增加，從而在 MOSFET 溝道中產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。此階段由以下等式定義：

V ds = V dc – I d · R d – (L d + L s ) · (dI d / dt) – V d (6)

C d · (dV d / dt) = I d – I o (7)

在階段 4，V gs增加直到它達(dá)到值 V drive_on。漏極電流 Id 由以下等式表示，其中 R ds_on是 MOSFET 的導(dǎo)通電阻：

I d = V ds / R ds_on + C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (8)

當(dāng)它發(fā)生在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，V gs開始下降，直到達(dá)到米勒平臺(tái)。在下一階段，電壓增加，而電流減小。在開關(guān)過程的對(duì)稱性下，如果V gs大于或等于(V ds – V th )，則MOSFET滿足方程(8)。否則，MOSFET 遵循公式 (4)。這種狀態(tài)可以用下面的等式來描述：

I d = C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (9)

電容和跨導(dǎo)的非線性，分別是 V ds和 V gs的函數(shù)，是通過將 MATLAB 曲線擬合工具應(yīng)用于每個(gè)器件數(shù)據(jù)表中顯示的值而獲得的。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試

用于執(zhí)行測(cè)試的設(shè)置如圖 2 所示，其中紅色虛線代表被測(cè)器件(裸芯片或直接鍵合銅)。在動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中，可以改變?cè)礃O端子在PCB上的位置，選擇不同的公共源極電感值(S 1、S 2、S 3或S 4)而不改變環(huán)路電感。相同的電路可用于靜態(tài)測(cè)試。

圖 2：測(cè)試電路示意圖

使用不同的溫度值進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，觀察 MOSFET 的跨導(dǎo)如何在較高溫度下略微增加。使用不同的電感值(圖2中的L s1、L s2和L s3 )進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的精度，證實(shí)了模型的有效性。在圖 3 中，我們可以看到動(dòng)態(tài)測(cè)試波形(800V/40A，30°C)分別表示開啟和關(guān)閉狀態(tài)。

圖 3：開啟和關(guān)閉動(dòng)態(tài)測(cè)試波形

結(jié)論

文章提出的分析模型通過數(shù)值計(jì)算方法描述了MOSFET的開關(guān)行為，考慮了寄生電感和跨導(dǎo)和電容的非線性。為了檢查溫度產(chǎn)生的影響，測(cè)量了不同結(jié)溫的傳遞特性，從而通過曲線擬合獲得圖形趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)測(cè)試證明了該模型在預(yù)測(cè)開關(guān)行為方面的高精度。