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一种减小自热效应的碳化硅MOSFET高压饱和区增强表征方法
An Enhanced Characterization Method of SiC MOSFET in High-Voltage Saturation Region with Reduced Self-heating
| 作者 | Enyao Xiang · Chengmin Li · Dongsheng Yang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 饱和特性测量 测试拓扑 高阻抗栅极驱动电路 器件建模 |
语言:
中文摘要
对碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)进行精确的器件建模、短路(SC)预测和保护,需要精确测量其在高漏源电压下的饱和特性。然而,传统的曲线追踪仪受到功率限制、寄生元件的影响,尤其是受器件固有导通时间的限制,这些因素共同限制了 $di/dt$。这使得表征高压、大电流区域的器件行为变得困难,因为达到稳态所需的较长时间会导致显著的自热效应,降低测量精度,甚至损坏器件。本文提出了一种测试拓扑,使用多个并联器件作为辅助开关来控制测量过程,并在保持被测器件正常导通的同时加速导通瞬态过程。为了在超窄脉冲期间精确测量内部栅极电压,本文提出了一种高阻抗栅极驱动电路,消除了器件固有栅极电阻上的压降影响。测量结果涵盖了碳化硅 MOSFET 的全范围转移特性和输出特性,并且在低压区域与曲线追踪仪的数据吻合良好。在室温下,当 $V_{\text{ds}} = 20 \,\mathrm{V}$ 且 $V_{\text{gs}} = 20 \,\mathrm{V}$ 时,所提出的方法将温度升高限制在 $4 \,{{\mathrm{^{\circ }}{\mathrm{C}}}}$ 以内,而使用功率器件分析仪时温度升高接近 $100 \,{{{^{\circ }}{\mathrm{C}}}}$,从而能够实现更精确的器件表征和建模。
English Abstract
Accurate device modeling, short-circuit (SC) prediction, and protection for SiC MOSFETs require accurate measurement of their saturation characteristics under high drain-source voltages. However, conventional curve tracers are limited by power constraints, parasitic elements, and especially the device's intrinsic turn-on time, which together constrain di/dt . This makes it difficult to characterize behavior in high-voltage, high-current regions, since the long duration required to reach steady state can cause significant self-heating, reducing accuracy or even damaging the device. This letter proposes a test topology using multiple parallel devices as auxiliary switches to control the measurement and accelerate the turn-on transient while keeping the device under test normally on. To accurately measure the internal gate voltage during an ultra-narrow pulse, we propose a high-impedance gate drive circuit, eliminating the influence of the voltage drop across the device's intrinsic gate resistance. The measured results capture the full range of transfer and output characteristics of the SiC MOSFET and show good agreement with curve tracer data in the low-voltage region. At V_ds = 20 ,V and V_gs = 20 ,V under room temperature, the proposed method limits the temperature rise to within 4 ,{^ {C}} , compared to nearly 100 ,{{^ C}} with a power device analyzer, thereby enabling more accurate device characterization and modeling.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项SiC MOSFET高压饱和区增强表征技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件,SiC MOSFET的精确建模直接关系到产品的可靠性设计和性能优化。
该技术通过多器件并联辅助开关和高阻抗栅极驱动电路,突破了传统曲线追踪仪的测试瓶颈,能够在高压大电流区域实现精确表征,同时将自热效应从近100°C降至4°C以内。这对阳光电源的产品开发具有三方面直接价值:首先,精确的饱和区特性数据可显著提升器件建模精度,优化逆变器和储能系统的电磁兼容设计和损耗预测;其次,准确的短路特性测量为开发更可靠的短路保护算法提供了数据基础,这对于提升1500V光伏系统和高压储能系统的安全性至关重要;第三,减少测试过程中的器件损伤,可降低研发成本并加快产品迭代周期。
从技术成熟度看,该方法基于成熟的脉冲测试原理,工程实现难度适中,适合在阳光电源的功率器件实验室快速部署。特别是在当前公司大力发展高功率密度逆变器和液冷储能系统的背景下,对SiC器件极限工况下的深入理解变得愈发关键。
潜在挑战在于超窄脉冲测量对测试设备带宽和同步精度要求较高,需要投入专业测试平台建设。但这项投资将为阳光电源在SiC技术应用方面建立差异化竞争优势,支撑公司在新一代高效能源转换设备领域的技术领先地位。建议将此技术纳入功率器件表征标准流程,并探索与器件供应商的深度合作机会。