动态测试证实了 SiC 开关频率的准确性

碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)等宽带隙材料由于其电气特性已被证明优于硅，因此在电力电子应用中占据领先地位。尽管被广泛接受，但专家们仍在不断检查其真实性。

特别是SiC MOSFET用于在高温和开关频率下工作的转换器。然而，随着开关速率的增加，寄生电感和工作温度产生的影响也会增加(更准确地说，跨导是主要的温度敏感参数)。因此，在每个 MOSFET 功率模块设计中，分析开关行为非常重要。

有不同的分析技术可用于评估这些半导体的开关行为。然而，这里的重点将放在分析模型上，它使用基本的数学方程来描述开关行为。从实现的角度来看，这种方法的部分优势在于其节省时间和灵活的特性。

然而，其准确性取决于用于描述系统的方程以及它们的求解方式。这篇评论通过静态和动态测试验证了跨导非线性，以验证模型的准确性。静态测试测量器件在不同温度条件下的传递特性，而动态测试将模型产生的预期结果与实验获得的结果进行比较。

模型电路

用于分析开关行为的电路(如图 1 所示)是一个双脉冲测试电路。与硅 MOSFET 发生的情况类似，SiC MOSFET 的开关过程分为四个阶段，使用 Matlab 的“ode45”函数求解每个阶段的微分方程。

图1：双脉冲测试电路

在阶段1，正电压V drive_on的施加 使电容器C gd和C gs充电直到V gs超过阈值电压(V th )。在这个阶段，MOSFET 关闭。满足以下等式：

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)

当在第 2 阶段，V gs超过 V th时，沟道电流开始与 (V gs – V th ) 成比例增加。漏极电流 I d 和漏源电压 V ds满足以下等式，其中 g m是跨导：

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 阶段，当 V gs 达到等于 (I o / g m ) + V th的米勒平台时，V ds开始下降到对应于 ON 状态的值。同时，二极管(C d ) 的寄生电容上的电压 V d增加，从而在 MOSFET 沟道中产生反向恢复电流。此阶段由以下等式定义：

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)

在阶段 4，V gs增加直到它达到值 V drive_on。漏极电流 Id 由以下等式表示，其中 R ds_on是 MOSFET 的导通电阻：

I d = V ds / R ds_on + C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (8)

当它发生在关闭状态时，V gs开始下降，直到达到米勒平台。在下一阶段，电压增加，而电流减小。在开关过程的对称性下，如果V gs大于或等于(V ds – V th )，则MOSFET满足方程(8)。否则，MOSFET 遵循公式 (4)。这种状态可以用下面的等式来描述：

I d = C gd · (dV dg / dt) + C ds · (dV ds / dt) (9)

电容和跨导的非线性，分别是 V ds和 V gs的函数，是通过将 MATLAB 曲线拟合工具应用于每个器件数据表中显示的值而获得的。

实验测试

用于执行测试的设置如图 2 所示，其中红色虚线代表被测器件(裸芯片或直接键合铜)。在动态测试过程中，可以改变源极端子在PCB上的位置，选择不同的公共源极电感值(S 1、S 2、S 3或S 4)而不改变环路电感。相同的电路可用于静态测试。

图 2：测试电路示意图

使用不同的温度值进行静态测试，观察 MOSFET 的跨导如何在较高温度下略微增加。使用不同的电感值(图2中的L s1、L s2和L s3 )进行动态测试，得到的实验结果具有较高的精度，证实了模型的有效性。在图 3 中，我们可以看到动态测试波形(800V/40A，30°C)分别表示开启和关闭状态。

图 3：开启和关闭动态测试波形

结论

文章提出的分析模型通过数值计算方法描述了MOSFET的开关行为，考虑了寄生电感和跨导和电容的非线性。为了检查温度产生的影响，测量了不同结温的传递特性，从而通过曲线拟合获得图形趋势。动态测试证明了该模型在预测开关行为方面的高精度。