碳化硅 (SiC) MOSFET 因其技術(shù)固有的特性(例如高電壓能力、較低的導(dǎo)通電阻、耐高溫操作以及相對(duì)于硅更高的功率密度)而越來(lái)越受到電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的歡迎。因此，基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器和逆變器是電池供電車輛 (BEV)、可再生能源以及需要最高效率的所有其他應(yīng)用的最佳選擇。

意識(shí)到這些改進(jìn)的功能，設(shè)計(jì)人員需要使用可靠的工具和方法來(lái)估計(jì)損失，這些損失決定合適的冷卻系統(tǒng)，并最終影響整體效率。事實(shí)證明，與基于線性近似的最常見(jiàn)數(shù)值技術(shù)相比，這種方法可以顯著提高預(yù)測(cè)精度。

設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)模型：優(yōu)缺點(diǎn)

有兩種不同的損失估計(jì)模型。

器件級(jí)模型旨在開(kāi)發(fā) MOSFET 器件的廣泛數(shù)學(xué)開(kāi)關(guān)模型，該模型考慮電容、跨導(dǎo)、體二極管反向恢復(fù)以及與封裝和布局相關(guān)的寄生電感等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)表信息或直接測(cè)量。 特別是就 SiC MOSFET 而言，這些工具經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可考慮更寬的工作溫度和更高的頻率能力。

一般來(lái)說(shuō)，所提出的模型通常表現(xiàn)出高度的復(fù)雜性并依賴于器件參數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)通過(guò)測(cè)量來(lái)確定，因?yàn)樗鼈儾⒉豢偸窃诠?yīng)商的數(shù)據(jù)表中提供。因此，提出了完全基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)表參數(shù)的修改模型。例如，通過(guò)使用數(shù)據(jù)表中顯示的有限信息，已經(jīng)針對(duì)零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 拓?fù)涮剿髁私Y(jié)電容的線性化及其對(duì)損耗預(yù)測(cè)保真度的影響。

相比之下，系統(tǒng)級(jí)模型針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了強(qiáng)烈調(diào)整，并利用來(lái)自 MOSFET 制造商提供的數(shù)據(jù)表或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)。然而，由于半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的信息既不能詳盡，也不能代表整個(gè) SiC MOSFET 的工作條件，因此損耗計(jì)算模型的構(gòu)建方式是用低復(fù)雜度函數(shù)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以捕獲測(cè)試條件。 Onsemi 的 Elite Power Simulator 和 Wolfspeed 的 SpeedFit? Design Simulator 是基于這種方法的模型的兩個(gè)示例。

總之，由于對(duì)器件開(kāi)關(guān)行為的良好描述，器件級(jí)模型非常準(zhǔn)確，使其適用于各種操作條件而沒(méi)有任何限制。無(wú)論如何，模型的復(fù)雜性構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠溆?jì)算成本以及需要額外的表征來(lái)估計(jì)寄生元件。

系統(tǒng)級(jí)模型允許設(shè)計(jì)人員在所需精度和計(jì)算成本之間達(dá)到可接受的權(quán)衡。無(wú)論如何，運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)模型都需要制造商的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集源自 SiC 供應(yīng)商制定的特定電源電路布局。此外，最終用戶無(wú)法獲得雜散電感和電容等寄生參數(shù)。所有這些都由于對(duì)電源轉(zhuǎn)換器中能量損耗的高估而變得更加復(fù)雜，這僅僅是由于必須處理有限數(shù)據(jù)表信息的線性近似例程。

多項(xiàng)式和樣條插值

一般建議的方法作用于數(shù)據(jù)集的數(shù)值，以執(zhí)行臨時(shí)擬合程序，其中可能包括多項(xiàng)式或樣條插值，有望更準(zhǔn)確地估計(jì)能量損失。即使在特定架構(gòu)(即由 Wolfspeed 開(kāi)發(fā)的帶有半橋配置的 SiC MOSFET C3M0032120Jl 的評(píng)估板)中對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，該方法也相當(dāng)通用。

更詳細(xì)地說(shuō)，基于雙脈沖測(cè)試 (DPT) 對(duì)這些 SiC 器件進(jìn)行了表征，以實(shí)驗(yàn)性地重現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)集以運(yùn)行損耗模型并考慮評(píng)估板的固有寄生參數(shù)。作為最后一步，我們進(jìn)行了直接基準(zhǔn)測(cè)試，將 Wolfspeed 產(chǎn)生的數(shù)值與所提出的損耗模型獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。

順便說(shuō)一句，樣條插值是一種強(qiáng)大的數(shù)值算法，用于使曲線通過(guò)給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)集變得平滑。樣條插值有助于規(guī)避高階多項(xiàng)式插值的缺陷，這些缺陷有時(shí)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度振蕩行為，從而導(dǎo)致在一些較小的間隔內(nèi)輸入數(shù)據(jù)的不同圖形表示。樣條插值通過(guò)使用復(fù)合多項(xiàng)式(樣條)而不是在整個(gè)感興趣的區(qū)間內(nèi)定義的單個(gè)高階多項(xiàng)式來(lái)避免振蕩。常見(jiàn)的樣條類型包括線性、二次和三次樣條。三次樣條曲線特別受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┢交院挽`活性。

新提出的損失模型

圖 1 顯示了識(shí)別建議方法的流程圖。還值得注意的是，該模型適用于其他功率器件，無(wú)論它們是氮化鎵 (GaN) 上的硅。

圖 1：預(yù)測(cè)通用 SiC 功率轉(zhuǎn)換器能量損耗的流程圖

選擇目標(biāo) SiC 器件后，在給定漏源電壓 VDS 的情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定導(dǎo)通 (Eon) 和關(guān)斷 (Eoff) 開(kāi)關(guān)能量損耗，作為漏極電流 ID 和結(jié)溫 Tj 的函數(shù);這也可以使用可用的數(shù)據(jù)表信息來(lái)完成。實(shí)際上，對(duì)于 1200V SiC MOSFET，大多數(shù)數(shù)據(jù)表顯示了當(dāng) Tj 等于 25°C 時(shí)，600V 和 800V 下的 Eon 和 Eoff 曲線與 ID 的關(guān)系。不同的是，Eon 和 Eoff 與 Tj 的關(guān)系僅在 VDS=800V 和固定 ID 下進(jìn)行表征，通常與最大連續(xù)漏極電流一致。

關(guān)于傳導(dǎo)損耗，它們所依賴的導(dǎo)通電阻 RDS(on) 用柵源電壓 Vgs、ID 和 Tj 來(lái)表示，其中 Vgs 通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)器來(lái)設(shè)置。輸入數(shù)據(jù)集通過(guò)添加第三象限(反向?qū)▍^(qū))中的典型體二極管電流-電壓特性(ISD、VSD)來(lái)完成，通常提供三個(gè)不同的 Tj 值。更具體地說(shuō)，25°C 和最大允許結(jié)溫 Tjmax 下的特性在特定應(yīng)用規(guī)定的工作范圍內(nèi)線性化。此過(guò)程可以識(shí)別零電流時(shí)的電壓 Vt0 以及兩個(gè) Tj 值時(shí)二極管的動(dòng)態(tài)電阻 Rd。

通過(guò)實(shí)施非線性插值，包括多項(xiàng)式或樣條方法，可以細(xì)化特征曲線的形狀，使得能量損失估計(jì)比最常見(jiàn)的線性插值更準(zhǔn)確。之后，根據(jù)與特定電源轉(zhuǎn)換器相關(guān)的開(kāi)關(guān)和體二極管的直流母線電壓 (VDC)、Tj 和電流分布等工作條件，開(kāi)發(fā)的模型評(píng)估總傳導(dǎo)損耗(對(duì)于晶體管開(kāi)關(guān)和體二極管)和晶體管開(kāi)關(guān)損耗。例如，晶體管(下標(biāo)“t”)和體二極管(下標(biāo)“d”)的導(dǎo)通損耗可表示為：

P cond,t = RDS(on) * I 2 rms,t和 P cond,d = V t0 * I av + R d * I 2 rms,d，其中兩個(gè) I rms代表均方根值晶體管和二極管電流，Iav 表示平均電流。例如，圖 2 顯示了 VDC=600V 和 Tj=28°C 時(shí)的 Eon 和 Eoff 曲線與 ID 的關(guān)系，比較了線性插值與多項(xiàng)式插值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 2：在不同條件下執(zhí)行 DPT 并使用常見(jiàn)線性和多項(xiàng)式運(yùn)算進(jìn)行插值后獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

對(duì)比分析及結(jié)論

為了驗(yàn)證所提出的損耗模型，使用了 Plexim 的 PLECS(分段線性電路仿真)工具作為參考。這樣的工具代表了基于能量損失特性的線性近似的通用數(shù)據(jù)集。通過(guò)使用 PLECS 執(zhí)行 DPT、提出的損耗模型和實(shí)驗(yàn)生成的數(shù)據(jù)，在 Eon 和 Eoff 方面獲得的結(jié)果總結(jié)在圖 3 的表格中。具體而言，考慮了四種場(chǎng)景，包括 VDC 的未知值(700V )、ID (34A、36A) 和 Tj (53°C)，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中沒(méi)有可用信息。

還考慮了未知值的不同組合來(lái)研究對(duì)開(kāi)關(guān)能量損耗結(jié)果的特定或組合影響。事實(shí)上，與當(dāng)前文獻(xiàn)和致力于電力電子設(shè)計(jì)的數(shù)值工具執(zhí)行的最常見(jiàn)的線性近似不同，用于解決 SiC 器件數(shù)據(jù)表中的有限信息，所提出的損耗模型已得到強(qiáng)調(diào)，因?yàn)橐呀?jīng)實(shí)現(xiàn)了較低的估計(jì)誤差所提出的模型在所有被視為案例場(chǎng)景的操作條件下。

圖 3：所提出方法的 Eon 和 Eoff 結(jié)果與 PLECS 和實(shí)驗(yàn)值的比較