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,專家們?nèi)圆粩鄼z查其真實性。
SiC MOSFET尤其用于在高溫和開關(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)生的影響也會增加(更準確地說,跨導(dǎo)是主要的溫度敏感參數(shù))。因此,在每個 MOSFET 功率模塊設(shè)計中,分析開關(guān)行為非常重要。
有不同的分析技術(shù)可用于評估這些半導(dǎo)體的開關(guān)行為。然而,這里的重點將放在分析模型上,該模型使用基本數(shù)學方程來描述切換行為。從實現(xiàn)的角度來看,這種方法的部分優(yōu)勢在于其節(jié)省時間和靈活的特性。
然而,它的準確性取決于用于描述系統(tǒng)的方程以及它們的求解方式。該評論檢查跨導(dǎo)非線性,已通過靜態(tài)和動態(tài)測試驗證,以驗證模型的準確性。靜態(tài)測試測量器件在不同溫度條件下的傳遞特性,而動態(tài)測試將模型產(chǎn)生的預(yù)期結(jié)果與實驗獲得的結(jié)果進行比較。
該模型
用于分析開關(guān)行為的電路(如圖 1 所示)是一個雙脈沖測試電路。與硅 MOSFET 發(fā)生的情況類似,碳化硅 MOSFET 的開關(guān)過程分為四個階段,使用 Matlab 的“ode45”函數(shù)求解每個階段的微分方程。
圖1:雙脈沖測試電路
在階段1中,正電壓V drive_on 的施加 導(dǎo)致電容器C gd和C gs充電直到V gs超過閾值電壓(V th )。在此階段,MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)。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)
當在第 2 階段,V gs超過 V th 時,通道電流開始與 (V gs – V th )成比例增加。漏電流 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 V gs 達到等于 (I o / g m ) + V th的米勒平臺時,V ds開始下降到對應(yīng)于導(dǎo)通狀態(tài)的值。同時, 二極管寄生電容 (C d )上的電壓 V d增加,導(dǎo)致 MOSFET 通道中產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。該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)
在第 4 階段,V gs增加直到達到值 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)
當它發(fā)生在關(guān)閉狀態(tài)時,V gs開始下降,直到達到米勒平臺。在下一階段,電壓增加,而電流減少。在開關(guān)過程的對稱性下,如果 V gs大于或等于 (V ds – V th ),則 MOSFET 滿足等式 (8)。否則,MOSFET 遵守等式 (4)。這種狀態(tài)可以用以下等式來描述:
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)用于每個器件數(shù)據(jù)表中顯示的值來獲得的。
實驗測試
用于執(zhí)行測試的設(shè)置如圖 2 所示,其中紅色虛線代表被測器件(裸片或直接焊銅)。動態(tài)測試時,可以改變源端在PCB上的位置,選擇不同的共源電感值(S 1、S 2、S 3或S 4),而無需改變回路電感。相同的電路可用于靜態(tài)測試。
圖 2:測試電路原理圖
審核編輯:湯梓紅
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