动态测试确认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，专家们仍不断检查其真实性。

SiC MOSFET尤其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，该模型使用基本数学方程来描述切换行为。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，它的准确性取决于用于描述系统的方程以及它们的求解方式。该评论检查跨导非线性，已通过静态和动态测试验证，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。

该模型

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，碳化硅 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中，正电压V drive_on 的施加 导致电容器C gd和C gs充电直到V gs超过阈值电压(V th )。在此阶段，MOSFET 处于关断状态。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，通道电流开始与 (V gs – V th )成比例增加。漏电流 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开始下降到对应于导通状态的值。同时， 二极管寄生电容 (C d )上的电压 V d增加，导致 MOSFET 通道中产生反向恢复电流。该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)

在第 4 阶段，V gs增加直到达到值 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，而电流减少。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 满足等式 (8)。否则，MOSFET 遵守等式 (4)。这种状态可以用以下等式来描述：

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来获得的。

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(裸片或直接焊铜)。动态测试时，可以改变源端在PCB上的位置，选择不同的共源电感值(S 1、S 2、S 3或S 4)，而无需改变回路电感。相同的电路可用于静态测试。

图 2：测试电路原理图

审核编辑：汤梓红