動態(tài)測試確認(rèn)SiC開關(guān)頻率的準(zhǔn)確性

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(shí)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(zhǔn)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(diǎn)將放在分析模型上，該模型使用基本數(shù)學(xué)方程來描述切換行為。從實(shí)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(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。該評論檢查跨導(dǎo)非線性，已通過靜態(tài)和動態(tài)測試驗(yàn)證，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)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(dāng)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(dāng) V gs 達(dá)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(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，V gs開始下降，直到達(dá)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(shí)驗(yàn)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