SiCMOSFET和SiCSBD換流單元瞬態(tài)模型

來源：電氣技術(shù)

清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員朱義誠(chéng)、趙爭(zhēng)鳴、王旭東、施博辰，在2017年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，相較于硅（Si）器件，碳化硅（SiC）器件所具有的高開關(guān)速度與低通態(tài)電阻特性增加了其瞬態(tài)波形的非理想特性與對(duì)雜散參數(shù)影響的敏感性，對(duì)其瞬態(tài)建模的精度提出更高的要求。

通過功率開關(guān)器件瞬態(tài)過程的時(shí)間分段、機(jī)理解耦與參數(shù)解耦，突出器件開關(guān)特性，弱化物理機(jī)理，簡(jiǎn)化瞬態(tài)過程分析，建立基于SiC MOSFET與SiC SBD的換流單元瞬態(tài)模型。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該模型能夠較為精細(xì)地體現(xiàn)SiC MOSFET開關(guān)瞬態(tài)波形且能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算SiC MOSFET開關(guān)損耗。該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊(cè)提取，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

相較于硅（Silicon, Si）材料，碳化硅（Silicon Carbide,SiC）材料具有更寬的禁帶寬度（Si的3倍），更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（Si的7倍）、更高的載流子遷移率（Si的2倍）及更高的熱傳導(dǎo)率[1,2]（Si的3.3倍）。與同等容量的Si器件相比，SiC器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更小的結(jié)電容，且能承受更高的工作結(jié)溫，從而具有更低的器件損耗與更高的開關(guān)速度，有利于提高電力電子變換器的系統(tǒng)效率與功率密度[3-5]，使得SiC器件的應(yīng)用日益廣泛。

目前在復(fù)雜電力電子變換器仿真中，SiC器件一般被視為理想開關(guān)，忽略瞬態(tài)過程中實(shí)際開關(guān)波形相較于理想開關(guān)波形的延遲與畸變，這一簡(jiǎn)化導(dǎo)致了一系列的問題，例如：①對(duì)于瞬態(tài)過程中具有破壞性的尖峰電壓與尖峰電流難以準(zhǔn)確分析與仿真，開關(guān)器件可靠性問題突出；②對(duì)于功率開關(guān)器件輸出的電磁能量脈沖的瞬態(tài)過程難以精確控制，控制性能有待提高；③對(duì)于開關(guān)損耗難以準(zhǔn)確計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)基于SiC器件的電力電子變換器瞬態(tài)過程仿真，應(yīng)首先對(duì)SiC器件進(jìn)行瞬態(tài)建模和分析。

由于SiC器件的特性與傳統(tǒng)的Si器件相比有所不同，使得Si器件的開關(guān)瞬態(tài)分析與建模方法并不完全適用于SiC器件。與相同耐壓等級(jí)的Si器件相比，SiC器件具有更高的開關(guān)速度與更低的通態(tài)電阻，這使得其開關(guān)瞬態(tài)波形的電壓電流變化率與尖峰更高、高頻振蕩時(shí)間更長(zhǎng)，非理想特性更加顯著，對(duì)于雜散參數(shù)的影響更加敏感，這對(duì)其瞬態(tài)建模精度提出了更高的要求[6]。

功率開關(guān)器件的開關(guān)瞬態(tài)過程是多種機(jī)理復(fù)雜耦合的物理過程，為了簡(jiǎn)化分析，可根據(jù)瞬態(tài)開關(guān)特性及開關(guān)器件狀態(tài)將瞬態(tài)過程分段，在各個(gè)階段中僅考慮起主導(dǎo)作用的物理機(jī)制與顯著變化的模型參數(shù)，忽略其他機(jī)制的影響與其他參數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過程分析中的多物理機(jī)理解耦與非線性參數(shù)解耦。通過功率開關(guān)器件瞬態(tài)過程的時(shí)間分段、機(jī)理解耦與參數(shù)解耦，能夠突出器件開關(guān)特性，弱化物理機(jī)理，便于參數(shù)提取與系統(tǒng)仿真。

在電力電子變換器中，開關(guān)器件以組合模式工作，其中最基本的開關(guān)組合模式是由一對(duì)“互鎖”的開關(guān)器件構(gòu)成一個(gè)基本換流單元。SiC MOSFET Q與SiC SBD VD構(gòu)成一個(gè)基本換流單元，Lload為負(fù)載電感，Csource為直流母線電容，Rg(ext)為驅(qū)動(dòng)回路外接電阻。

由于開關(guān)器件瞬態(tài)過程是由一對(duì)“互鎖”開關(guān)共同作用的換流過程，其中兩個(gè)開關(guān)器件的瞬態(tài)過程相互影響，因此在建立反映功率開關(guān)器件瞬態(tài)波形的行為模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)將一對(duì)“互鎖”開關(guān)作為一個(gè)換流單元進(jìn)行整體建模，而不能對(duì)單一器件建模。需要指出的是，在復(fù)雜拓?fù)渥儞Q器（如多電平變換器）中，換流單元中兩個(gè)互鎖開關(guān)的組合方式可能會(huì)隨換流回路的變化而改變，并不是唯一不變的。

基于上述認(rèn)識(shí)，本文以全SiC器件雙脈沖測(cè)試電路為例，在分析其開關(guān)瞬態(tài)過程機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一種針對(duì)SiC MOSFET與SiC SBD換流單元的瞬態(tài)模型，該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）提取，具有良好的實(shí)用性。

與理想開關(guān)模型相比，該模型能夠較為準(zhǔn)確地反映器件的瞬態(tài)波形與開關(guān)損耗。與以McNutt模型[7,8]為代表的物理機(jī)理模型相比，該模型適用于離散狀態(tài)事件驅(qū)動(dòng)（Discrete StateEvent Driven, DSED）仿真體系，以工程上可接受的誤差代價(jià)，解決了物理機(jī)理模型參數(shù)難提取、仿真速度慢、計(jì)算不收斂等問題。

文獻(xiàn)[9]采用時(shí)間分段的方法分析了功率Si MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)過程，但該模型并未給出由SBD（反向恢復(fù)過程可忽略）結(jié)電容所引起的MOSFET開通電流超調(diào)的準(zhǔn)確分析方法，沒有考慮漏源極電壓vds快速變化過程中柵漏極電容Cgd的非線性特性對(duì)瞬態(tài)過程的影響，且參數(shù)無法全部從datasheet中提取。

文獻(xiàn)[10]采用時(shí)間分段的方法，提出了基于SiC MOSFET與SiC SBD的變換器解析損耗模型，但該模型沒有考慮vds快速變化過程中Cgd的非線性特性對(duì)于瞬態(tài)過程的影響，且并未對(duì)瞬態(tài)過程末尾的高頻振蕩進(jìn)行建模。

結(jié)論

相較于Si器件，SiC器件所具有的高開關(guān)速度與低通態(tài)電阻特性增加了其瞬態(tài)波形的非理想特性與對(duì)雜散參數(shù)影響的敏感性，對(duì)其瞬態(tài)建模的精度提出了更高的要求。功率開關(guān)器件的開關(guān)瞬態(tài)過程是多種機(jī)理復(fù)雜耦合的物理過程，為了簡(jiǎn)化分析，本文通過瞬態(tài)過程的時(shí)間分段、機(jī)理解耦與參數(shù)解耦，突出器件開關(guān)特性，弱化物理機(jī)理，建立了基于SiC MOSFET與SiC SBD的換流單元瞬態(tài)模型。

該模型能夠較為精細(xì)地體現(xiàn)SiC MOSFET開關(guān)瞬態(tài)波形特征且能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算開關(guān)損耗。該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊(cè)提取，有較強(qiáng)的實(shí)用性。由于本文模型建立在一定的假設(shè)簡(jiǎn)化條件上，且無法考慮工作溫度變化對(duì)于SiC器件模型參數(shù)的影響，因此該模型適用于滿足模型簡(jiǎn)化假設(shè)條件且器件工作溫度與datasheet參數(shù)測(cè)試溫度相近的應(yīng)用場(chǎng)合。該模型參數(shù)的溫度修正方法有待后續(xù)完善。

審核編輯黃昊宇