使用LTspice估算SiC MOSFET的開關損耗

電力推進正越來越多地應用于所有技術領域。工業(yè)、交通、家庭自動化和其他部門越來越多地使用可再生能源。

為了正確利用這種能源，必須采用并大量使用轉換器，其目的是將一種能源轉換成另一種更適合最終使用的能源。今天，這些公司專注于減少轉換器的重量和體積，以及提高它們的效率。使設備更輕的一種方法是增加開關頻率。此外，今天的開關元件沒有非常高的運行速度，不幸的是，在轉換過程中不可避免地會損失一些能量（幸運的是，隨著新電子元件的出現，這種能量越來越少）。讓我們看看如何使用“LTspice”仿真程序來確定 SiC MOSFET 的開關損耗率。

請下載最新一期九月電子書

開關損耗

電力從一個層面到另一個層面的轉變代表了一項旨在優(yōu)化效率的技術挑戰(zhàn)。最大的困難是與在開關瞬態(tài)期間抵消設備狀態(tài)變化期間的能量損失有關的困難。事實上，當漏電流和漏源電壓的值都大于零時，就會出現 MOSFET 的功耗。SPWM 模式下晶體管的正弦調制的平均功率損耗由圖 1 中的公式確定。

圖 1：確定 SPWM 狀態(tài)下晶體管功率損耗的公式。

其數值參數如下：

f（sw）：是逆變器的開關頻率；

E（T， on）：是導通狀態(tài)下開關能量的損耗；

E（T， off）：是關斷狀態(tài)下的開關能量損耗。

IGBT 可以處理 5 kV 的電壓和 1000 A 的電流，但開關頻率不能超過 100 kHz。MOSFET 在高開關頻率（甚至 MHz 量級）下工作良好，但其特點是導通電阻相對較高，傳導損耗高，電壓限制低于 600 V。理論上，SiC 器件可以克服這些問題。基于 SiC 的器件與基于 Si 的器件相比具有多個優(yōu)勢，例如減少能量損失和高開關頻率。由于較小的內部電容，它們在 ON-OFF 轉換期間也造成較少的損失。這些特性有助于提高轉換器的效率并減少其重量和尺寸。不幸的是，碳化硅 MOSFET（與所有其他開關元件一樣）是真正的器件并且具有開關損耗。這些發(fā)生在導通期間的非零壓降以及開啟和關閉之間的非理想和不同步轉換。技術不斷尋求改進電子元件，以實現非常高的工作速度和非常低的工作阻抗。

靜態(tài)分析

盡管 SiC MOSFET 的 RDS （on） 電阻越來越低，但在大功率下存在明顯的損耗。讓我們看一下圖 2中的圖表，觀察電路的靜態(tài)行為。運行參數如下：

VCC：48V；

電壓：20 伏；

電壓：799.28893 毫伏；

R（負載）：5 歐姆；

I（負載）：9.4401426 A；

PD（負載）：445.58144 W。

電路效率為：

Eff = P（輸出）/P（輸入）* 100

從中：

效率 = 445.58144W / 453.12685W * 100

效率 = 98.335%

因此，在靜態(tài)操作中，電路本身在導通狀態(tài)下會出現損耗，因為電子開關并不理想，但電阻非常小。該電阻越低，電路的效率就越高。相同的電路允許我們計算 SiC 的 RDS（on），檢查漏極和源極之間的電壓以及通過它們的電流：

RDS （on） = （Vd – Vs） / Id

從中：

RDS （on） = （799.28893mV – 0） / 9.4401426 A

RDS（開）= 0.084669

實際上，它的行為幾乎就像一個閉合的開關，也證實了 SiC 制造商 UF3C065080T3S 官方數據表中報告的規(guī)格，該數據表證明典型電阻為 80 毫歐。我們還可以通過將 MOSFET 的柵極接地并使用相同的公式測量電阻來計算 RDS（關斷）電阻：

RDS （off） = （Vd – Vs） / Id

從中：

RDS（關閉）= （47.999928V – 0） / 14.797931 uA

RDS（關閉）= 3243691.83773 歐姆

它實際上幾乎就像一個打開的開關。

圖2：測量RDS（on）、RDS（off）和效率的接線圖

動態(tài)分析

現在讓我們檢查動態(tài)和工作條件下 MOSFET 在 ON-OFF 開關階段的行為。如前所述，盡管它們具有出色的功率、速度和低電阻特性，但電子開關的行為并不理想（參見圖 3 中的接線圖）。由于這些原因，所有轉換電路都會受到不同開關損耗的影響。

圖 3：檢查功率損耗的接線圖

事實上，由于非理想的轉換會造成功率損耗，即狀態(tài)的變化不是瞬時的，也不是同時發(fā)生的。換句話說，電壓和電流轉變不會同時發(fā)生。結果是功率損失，如圖 4中的圖表所示。由于事件的這種非同時性，在 ON-OFF 事務期間損失的能量很高。在圖中，我們可以觀察到以下信號：

綠色信號：它是從 48 V 切換到幾乎 0 V 的漏極電壓。在示例中，開關頻率為 100 kHz；

淡藍色信號：這是流經Drain（和負載）的電流，其值約為9.4 A。顯然該信號與電壓相位相反；

紅色信號：它是 MOSFET 消耗的功率，關系為 V （Vd） * Ix （X1： nd） + V （Vg） * Ix （X1： ng）。如您所見，其最大峰值（115.27 W）位于逆變器狀態(tài)變化處，峰值持續(xù)時間為幾納秒。

減少開關損耗的一種方法是產生零電壓 （ZVS） 或零電流 （ZCS） 開關元件轉換。為此，可以實施“軟切換”和“硬切換”解決方案。

圖 4：該圖顯示了開關轉換期間 MOSFET 電壓、電流和功率的值

結論

開關瞬態(tài)的分析建模是了解 SiC MOSFET 開關行為的有用方法。旨在計算功率損耗的仿真需要使用出色的 SPICE 模型。許多模型目前非常復雜或出現故障和近似，從而產生不準確的結果。在任何情況下，都有不同的技術來改進開關系統(tǒng)并提高電力轉換電路的效率。

審核編輯：郭婷