非线性损耗模型：提升SiC变换器性能估算的准确性

由于硅碳化物(SiC)MOSFET器件具有高电压能力、较低的导通电阻、高温操作的耐受性以及相对于硅更高的功率密度等固有特性，越来越受到电力系统设计师的青睐。因此，基于SiC的变换器和逆变器是电池驱动的电动车(BEVs)、可再生能源以及其他对效率要求极高应用的最佳选择。

意识到这些改进的特性，设计师需要使用可靠的工具和方法来估算损耗，以确定合适的冷却系统，并最终影响整体效率。在2024年亚太电力电子会议(APEC)上发表的一篇论文提出了一种基于对能量损耗特性的非线性拟合操作的损耗估算模型。研究表明，使用这种方法与基于线性近似的最常见数值技术相比，可以显著提高预测的准确性。

器件级模型与系统级模型：优缺点

估算损耗有两种不同的模型。

器件级模型旨在开发一个广泛的MOSFET器件数学开关模型，考虑诸如电容、电导率、体二极管反向恢复以及与封装和布局相关的寄生电感等参数，利用数据手册信息或直接测量。在特定的SiC MOSFET情况下，这些工具已被精炼，以考虑更宽的温度操作范围和更高的频率能力。

一般而言，所呈现的模型通常表现出较高的复杂性，并依赖于器件参数，这些参数应通过测量来确定，因为它们并不总是可在供应商的数据手册中获得。因此，提出了基于现有数据手册参数的修改模型。例如，探讨了结电容的线性化及其对损耗预测精度的影响，特别是在零电压开关(ZVS)拓扑方面，使用了在数据手册中显示的有限信息。

相反，系统级模型则与应用紧密相关，利用MOSFET制造商提供的数据手册或实验结果。然而，由于半导体供应商提供的信息可能既不详尽也不代表整体SiC MOSFET的操作条件，损耗计算模型的构建方式是通过低复杂度函数对输入数据进行插值，以捕获各种测试条件的组合。Onsemi的Elite Power Simulator和Wolfspeed的SpeedFit™设计模拟器是基于这种方法的两个示例。

总之，器件级模型因对器件开关行为的良好描述而相当准确，适用于各种操作条件而不受限制。无论如何，模型的复杂性由于其计算成本和估算寄生元件所需的额外特征化而构成了挑战。

系统级模型允许设计师在所需精度和计算成本之间达到可接受的权衡。在任何情况下，运行系统级模型需要制造商的实验数据集，这些数据集来自SiC供应商设计的特定电源电路布局。此外，寄生参数如杂散电感和电容对最终用户不可用。所有这些都加剧了由于线性近似例程处理有限数据手册信息而导致的功率变换器能量损耗的高估。

多项式和样条插值

参考文献中建议的方法对数据集的数值进行操作，以执行可能包括多项式或样条插值的特定拟合过程，从而承诺提供更准确的能量损耗估算。尽管作者在一个特定架构中调试了该方法，即Wolfspeed开发的包含SiC MOSFET C3M0032120Jl的半桥配置评估板，但该方法仍然相当通用。

更具体地说，基于双脉冲测试(DPT)对这些SiC器件进行了特征化，以实验性地重现输入数据集，从而运行损耗模型并考虑评估板的固有寄生参数。最后一步是直接基准测试，将Wolfspeed生成的数值与所提出的损耗模型得出的结果进行比较。

顺便提一下，样条插值是一种强大的数值算法，用于通过给定数据点集使曲线光滑。样条插值有助于规避高阶多项式插值的陷阱，这种插值有时导致过度的振荡行为，因此在某些较小区间内对输入数据的图形表示不同。样条插值通过使用复合多项式(样条)而不是定义在整个感兴趣区间的一次高阶多项式来避免振荡。常见的样条类型包括线性、二次和三次样条。三次样条尤其受欢迎，因为它们提供了光滑性和灵活性。

新提出的损耗模型

图1展示了所建议方法的流程图。值得注意的是，该模型同样适用于其他功率器件，无论是硅基还是氮化镓(GaN)。

图1

在选择目标SiC器件后，开通(Eon)和关断(Eoff)开关能量损耗作为漏电流ID和结温Tj的函数进行实验确定，对于给定的漏源电压VDS;这在可用的情况下也可以使用数据手册信息进行。在实际操作中，对于1200V SiC MOSFET，大多数数据手册在Tj等于25°C时显示Eon和Eoff与ID在600V和800V下的曲线。不同的是，Eon和Eoff与Tj的特性仅在VDS=800V和固定ID下进行表征，通常与最大连续漏电流相吻合。

关于导通损耗，导通电阻RDS(on)是其依赖的参数，以栅源电压Vgs、ID和Tj表示，Vgs由选择合适的栅极驱动器来设定。输入数据集通过添加典型的体二极管电流-电压特性(ISD, VSD)在第三象限(反向导通区)进行补充，通常在三个不同的Tj值下提供。更具体地说，在25°C和最大允许结温Tjmax下的特性在特定应用施加的操作范围内进行线性化。该过程使得能够识别零电流下的电压Vt0以及在两个Tj值下二极管的动态电阻Rd。

通过实施非线性插值，包括多项式或样条方法，可以改进特征曲线的形状，使得能量损耗估算比最常见的线性插值更为准确。之后，根据特定功率变换器的直流连接电压(VDC)、Tj和与开关及体二极管相关的电流特性，所开发的模型评估总导通损耗(包括晶体管开关和体二极管的损耗)以及晶体管开关损耗。例如，晶体管的开关损耗(下标“t”)和体二极管的开关损耗(下标“d”)可以表示为：

Pcond,t = RDS(on) * I2rms,t 和 Pcond,d = Vt0 * Iav + Rd * I2rms,d，其中两个Irms表示晶体管和二极管电流的均方根值，而Iav表示平均电流。作为示例，图2展示了在VDC=600V和Tj=28ºC下，Eon和Eoff曲线与ID的关系，并比较了线性插值、多项式插值与实验数据。

图2

比较分析与结论

为了验证所提出的损耗模型，Plexim的PLECS(分段线性电气电路仿真)工具被用作参考。该工具代表了基于能量损耗特性的线性近似的常见数据集。通过使用PLECS执行DPT、所提出的损耗模型和实验生成的数据所获得的Eon和Eoff结果在图3的表格中进行了总结。具体而言，考虑了四种情况，包括未知的VDC(700V)、ID(34A、36A)和Tj(53°C)值，其中在实验数据集中不可用任何信息。

图3

也考虑了未知值的不同组合，以调查对开关能量损失结果的特定或综合影响。确实，与当前文献和用于功率电子设计的数值工具在处理SiC器件数据手册中有限信息时所执行的最常见线性近似不同，所提出的损耗模型显示出在所有考虑的操作条件下均达成了更低的估算误差。