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，因此在電力電子應用中占據(jù)領先地位。盡管被廣泛接受，但專家們仍在不斷檢查其真實性。

特別是SiC MOSFET用于在高溫和開關頻率下工作的轉換器。然而，隨著開關速率的增加，寄生電感和工作溫度產生的影響也會增加(更準確地說，跨導是主要的溫度敏感參數(shù))。因此，在每個 MOSFET 功率模塊設計中，分析開關行為非常重要。

有不同的分析技術可用于評估這些半導體的開關行為。然而，這里的重點將放在分析模型上，它使用基本的數(shù)學方程來描述開關行為。從實現(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，其準確性取決于用于描述系統(tǒng)的方程以及它們的求解方式。這篇評論通過靜態(tài)和動態(tài)測試驗證了跨導非線性，以驗證模型的準確性。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)測試將模型產生的預期結果與實驗獲得的結果進行比較。

模型電路

用于分析開關行為的電路(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，SiC MOSFET 的開關過程分為四個階段，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，正電壓V drive_on的施加 使電容器C gd和C gs充電直到V gs超過閾值電壓(V th )。在這個階段，MOSFET 關閉。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)

當在第 2 階段，V gs超過 V th時，溝道電流開始與 (V gs – V th ) 成比例增加。漏極電流 I d 和漏源電壓 V ds滿足以下等式，其中 g m是跨導：

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 V gs 達到等于 (I o / g m ) + V th的米勒平臺時，V ds開始下降到對應于 ON 狀態(tài)的值。同時，二極管(C d ) 的寄生電容上的電壓 V d增加，從而在 MOSFET 溝道中產生反向恢復電流。此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)

在階段 4，V gs增加直到它達到值 V drive_on。漏極電流 Id 由以下等式表示，其中 R ds_on是 MOSFET 的導通電阻：

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

當它發(fā)生在關閉狀態(tài)時，V gs開始下降，直到達到米勒平臺。在下一階段，電壓增加，而電流減小。在開關過程的對稱性下，如果V gs大于或等于(V ds – V th )，則MOSFET滿足方程(8)。否則，MOSFET 遵循公式 (4)。這種狀態(tài)可以用下面的等式來描述：

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

電容和跨導的非線性，分別是 V ds和 V gs的函數(shù)，是通過將 MATLAB 曲線擬合工具應用于每個器件數(shù)據(jù)表中顯示的值而獲得的。

實驗測試

用于執(zhí)行測試的設置如圖 2 所示，其中紅色虛線代表被測器件(裸芯片或直接鍵合銅)。在動態(tài)測試過程中，可以改變源極端子在PCB上的位置，選擇不同的公共源極電感值(S 1、S 2、S 3或S 4)而不改變環(huán)路電感。相同的電路可用于靜態(tài)測試。

圖 2：測試電路示意圖

使用不同的溫度值進行靜態(tài)測試，觀察 MOSFET 的跨導如何在較高溫度下略微增加。使用不同的電感值(圖2中的L s1、L s2和L s3 )進行動態(tài)測試，得到的實驗結果具有較高的精度，證實了模型的有效性。在圖 3 中，我們可以看到動態(tài)測試波形(800V/40A，30°C)分別表示開啟和關閉狀態(tài)。

圖 3：開啟和關閉動態(tài)測試波形

結論

文章提出的分析模型通過數(shù)值計算方法描述了MOSFET的開關行為，考慮了寄生電感和跨導和電容的非線性。為了檢查溫度產生的影響，測量了不同結溫的傳遞特性，從而通過曲線擬合獲得圖形趨勢。動態(tài)測試證明了該模型在預測開關行為方面的高精度。