基于有限状态机(FSM)的SiC MOSFET开关瞬态建模

在航空、舰载系统和电动汽车领域已经观察到，[1][2][3] 可用的最佳解决方案之一是碳化硅 (SiC) MOSFET，因为它具有高频 HF 和高-其转换器的密度。与硅基 IGBT 相比，碳化硅 MOSFET 提供更快的开关和更低的功率损耗。该因素使其能够以更高级别的开关频率运行，估计为数百千赫兹。这最终将提高功率转换器的电荷密度和效率 [4] [5]。

与物理建模和香料建模 [6] [7] 相比，分析建模具有在准确性和简单性之间有效权衡的趋势。

大量模型，例如开关瞬态、寄生参数的影响、开关损耗、开关振荡和高频 (HF) 电磁干扰 (EMI) 噪声，[8][9][10][11][12][ 13] 分别已经给出，但它们都不能应用于开关损耗。

本文将详细阐述基于有限状态机 (FSM) 的分析建模，专门用于评估 HF EMI 噪声和开关损耗方面的开关特性。请访问本文以获取完整信息。

开关瞬态分析建模

图 1 显示了处于开关瞬态阶段的 SiC MOSFET 建模过程，该过程基于电感钳位电路，该电路具有很少的关键寄生参数 Cgs、Cds 和 Cgd。由于寄生参数对 SiC MOSFET 的特性有很大影响，因此在建模时应给予重要考虑。

图 1：电感钳位电路的拓扑结构

开启状态的表征

开启瞬态还有 4 个子阶段。这四个子阶段显示了电感钳位电路 [14] 中栅极和功率栅极回路之间的关系。这些子阶段被命名为

子阶段 S11（开启延迟）

子级 S12（电流换向）

子级 S13（电压换向）

子阶段 S14（开启振铃）

关断状态的表征

正如在 Turn-on 中一样，Turn-off 状态的表征也包括 4 个子阶段。在这里可以正确地说，子级 S11（接通延迟）、子级 S12（电流换向）和子级 S13（电压换向）在接通状态下使用的机制是相似的用于后续步骤，例如 S21（关断延迟）、S22（电压换向）和 S23（电流换向）。唯一的变化是在称为 S24 的关闭振铃阶段 [14]。 

结电容和跨导建模

CV 特性曲线说明了基于 Si 的器件和结电容的 SiC MOSFET 非线性。CV 特性的曲线拟合具有解释这些电容建模的能力。图 2 显示了拟合和测量的 CV 特性曲线之间的比较，而图 3 显示了拟合和测量的 IV 特性曲线之间的比较，这允许表征跨导。

图 2：拟合和测量的 CV 特性

图 3：拟合和测量的 IV 特性

使用 FSM 对开关状态进行建模

FSM 的采用说明了开关瞬态过程中子级的相互作用。图 4 显示了 FSM 的流程图。表 1 和表 2 分别显示了 FSM 在导通和关断瞬态期间的重要特性。

表 1：FSM 在开启状态下的特性

表 2：FSM 在关闭状态下的特性

图 4：FSM 流程图

模拟与实验

模拟环境

输出端子（Vds、Vak 和 Id）以及半桥块中的 FSM 已与提供电压/电流的源连接，这是实现信号接口和电接口之间转换所必需的 [14]。表 3 显示了寄生参数的值。

表 3：寄生参数值

实验设置

图 5 显示了实验的设置。在这个实验中，来自 Wolfspeed 的 C3M0120090D 和 CVFD20065A 被选为 SiC MOSFET 和 SiC SBD [14]。双脉冲信号已用于控制由 DSPc 产生的栅极驱动 [14]。Lecroy Wave-Runner 8404-M 用于获取开关波形。电压探头 PPE2KV（2 kV，400 MHz）用于测量漏源电压，而漏电流则借助与电流探头 TCP312A（30 A）相结合的按比例缩小的电流互感器 (CT) 测量, 100 MHz) [14]。

图 5：实验设置

结果与分析

本实验使用的条件是 vdc=600 /400 V，iL=15 A，Rg (ex) 从 10 到 47 Ω [14]。vds 的计算涉及它们上的电压降，作为 MOSFET 引线电感（Ld 和 Ls）的实际测量值。从仿真结果可以清楚地表明，该分析模型可用于评估 SiC MOSFET 的开关特性。结果还表明，可以降低高频 EMI，但代价是开关损耗 [14]。

结论

本文阐述了基于 FSM 的分析建模，用于评估 SiC MOSFET 的瞬态响应速度、开关损耗和 HF EMI 噪声方面的开关特性。FSM 用于对开关瞬态进行解析建模，它负责过渡阶段每个子阶段的表征和分析以及 CV 和 IV 特性的建模。基于模拟和实验的比较，得出了不同的方面。可以得出结论，这里实验的模型具有综合评估开关特性的能力，有望为具有高频HF和SiC MOSFET高密度设计的功率转换器提供更多指导。

审核编辑：汤梓红