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于硅更高的功率密度)而越來越受到電源系統(tǒng)設(shè)計人員的歡迎。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。

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

設(shè)備級和系統(tǒng)級模型：優(yōu)缺點

有兩種不同的損失估計模型。

器件級模型旨在開發(fā) MOSFET 器件的廣泛數(shù)學開關(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)表信息或直接測量。 特別是就 SiC MOSFET 而言，這些工具經(jīng)過改進，可考慮更寬的工作溫度和更高的頻率能力。

一般來說，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)通過測量來確定，因為它們并不總是在供應(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，通過使用數(shù)據(jù)表中顯示的有限信息，已經(jīng)針對零電壓開關(guān) (ZVS) 拓撲探索了結(jié)電容的線性化及其對損耗預(yù)測保真度的影響。

相比之下，系統(tǒng)級模型針對應(yīng)用進行了強烈調(diào)整，并利用來自 MOSFET 制造商提供的數(shù)據(jù)表或?qū)嶒灲Y(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 SiC MOSFET 的工作條件，因此損耗計算模型的構(gòu)建方式是用低復(fù)雜度函數(shù)對輸入數(shù)據(jù)進行插值，以捕獲測試條件。 Onsemi 的 Elite Power Simulator 和 Wolfspeed 的 SpeedFit? Design Simulator 是基于這種方法的模型的兩個示例。

總之，由于對器件開關(guān)行為的良好描述，器件級模型非常準確，使其適用于各種操作條件而沒有任何限制。無論如何，模型的復(fù)雜性構(gòu)成了挑戰(zhàn)，因為其計算成本以及需要額外的表征來估計寄生元件。

系統(tǒng)級模型允許設(shè)計人員在所需精度和計算成本之間達到可接受的權(quán)衡。無論如何，運行系統(tǒng)級模型都需要制造商的實驗數(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，最終用戶無法獲得雜散電感和電容等寄生參數(shù)。所有這些都由于對電源轉(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)行臨時擬合程序，其中可能包括多項式或樣條插值，有望更準確地估計能量損失。即使在特定架構(gòu)(即由 Wolfspeed 開發(fā)的帶有半橋配置的 SiC MOSFET C3M0032120Jl 的評估板)中對其進行調(diào)試，該方法也相當通用。

更詳細地說，基于雙脈沖測試 (DPT) 對這些 SiC 器件進行了表征，以實驗性地重現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)集以運行損耗模型并考慮評估板的固有寄生參數(shù)。作為最后一步，我們進行了直接基準測試，將 Wolfspeed 產(chǎn)生的數(shù)值與所提出的損耗模型獲得的結(jié)果進行比較。

順便說一句，樣條插值是一種強大的數(shù)值算法，用于使曲線通過給定的數(shù)據(jù)點集變得平滑。樣條插值有助于規(guī)避高階多項式插值的缺陷，這些缺陷有時會導(dǎo)致過度振蕩行為，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。樣條插值通過使用復(fù)合多項式(樣條)而不是在整個感興趣的區(qū)間內(nèi)定義的單個高階多項式來避免振蕩。常見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，因為它們提供平滑性和靈活性。

新提出的損失模型

圖 1 顯示了識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，無論它們是氮化鎵 (GaN) 上的硅。

圖 1：預(yù)測通用 SiC 功率轉(zhuǎn)換器能量損耗的流程圖

選擇目標 SiC 器件后，在給定漏源電壓 VDS 的情況下，通過實驗確定導(dǎo)通 (Eon) 和關(guān)斷 (Eoff) 開關(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)表信息來完成。實際上，對于 1200V SiC MOSFET，大多數(shù)數(shù)據(jù)表顯示了當 Tj 等于 25°C 時，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 來表示，其中 Vgs 通過選擇適當?shù)臇艠O驅(qū)動器來設(shè)置。輸入數(shù)據(jù)集通過添加第三象限(反向?qū)▍^(qū))中的典型體二極管電流-電壓特性(ISD、VSD)來完成，通常提供三個不同的 Tj 值。更具體地說，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。此過程可以識別零電流時的電壓 Vt0 以及兩個 Tj 值時二極管的動態(tài)電阻 Rd。

通過實施非線性插值，包括多項式或樣條方法，可以細化特征曲線的形狀，使得能量損失估計比最常見的線性插值更準確。之后，根據(jù)與特定電源轉(zhuǎn)換器相關(guān)的開關(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，開發(fā)的模型評估總傳導(dǎo)損耗(對于晶體管開關(guān)和體二極管)和晶體管開關(guān)損耗。例如，晶體管(下標“t”)和體二極管(下標“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 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 時的 Eon 和 Eoff 曲線與 ID 的關(guān)系，比較了線性插值與多項式插值和實驗數(shù)據(jù)。

圖 2：在不同條件下執(zhí)行 DPT 并使用常見線性和多項式運算進行插值后獲得的實驗數(shù)據(jù)集

對比分析及結(jié)論

為了驗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。通過使用 PLECS 執(zhí)行 DPT、提出的損耗模型和實驗生成的數(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，考慮了四種場景，包括 VDC 的未知值(700V )、ID (34A、36A) 和 Tj (53°C)，其中實驗數(shù)據(jù)集中沒有可用信息。

還考慮了未知值的不同組合來研究對開關(guān)能量損耗結(jié)果的特定或組合影響。事實上，與當前文獻和致力于電力電子設(shè)計的數(shù)值工具執(zhí)行的最常見的線性近似不同，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調(diào)，因為已經(jīng)實現(xiàn)了較低的估計誤差所提出的模型在所有被視為案例場景的操作條件下。

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