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一种半桥电路中碳化硅MOSFET的温度相关解析瞬态模型
A Temperature-Dependent Analytical Transient Model of SiC MOSFET in Half-Bridge Circuits
| 作者 | Peng Xue · Pooya Davari |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 开关瞬态 温度依赖模型 物理特性 开关损耗 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种碳化硅（SiC）金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）的温度相关瞬态模型。将 SiC MOSFET 的开关瞬态过程分为四个阶段。在每个阶段，对 MOSFET 及其体二极管的工作情况进行分析，并得到相应的等效电路。分析表明，$C_{gd}\times dV_{ds}/dt$ 和 $L_{s}\times dI_{d}/dt$ 引起的负反馈机制、SiC MOSFET 体二极管 N 基区的过剩电荷抽取以及开关瞬态时的动态转移特性是关键的物理特性。同时分析了低端 MOSFET 的结温 $T_{J1}$ 和高端 MOSFET 的结温 $T_{J2}$ 对 SiC MOSFET 开关行为的影响，并将其纳入所提出的模型中。基于对开关行为的深入理解，推导了 SiC MOSFET 的解析模型。将解析推导得到的开关波形和开关损耗与测试数据进行对比，结果显示二者吻合良好。
English Abstract
In this article, a temperature-dependent transient model of silicon carbide (SiC) metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (mosfet) is proposed. The switching transient of the SiC mosfet is divided into four phases. In each phase, the operations of the mosfet and its body diode are analyzed and the corresponding equivalent circuits are obtained. The analysis identifies that the C_gd dV_ds/dt and L_s dI_d/dt induced negative feedback mechanisms, excess charge extraction in the N-base of SiC mosfet body diode and dynamic transfer characteristics at switching transient are pivotal physical characteristics. The dependence of junction temperature T_J1 of low-side mosfet and junction temperature T_J2 of high-side mosfet on the switching behavior of SiC mosfet is also analyzed and included in the proposed model. Based on the improved understanding of the switching behavior, an analytical model of SiC mosfet is derived. The analytically derived switching waveforms and switching losses are compared to the test data and good agreement is obtained.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项SiC MOSFET温度依赖瞬态模型研究具有重要的工程应用价值。作为功率变换核心器件，SiC MOSFET已广泛应用于我司的光伏逆变器、储能变流器等产品中，其开关特性直接影响系统效率、可靠性和功率密度。
该模型的核心价值在于精确刻画了半桥电路中SiC MOSFET的开关瞬态过程，特别是将开关过程细分为四个阶段，并深入分析了Cgd×dVds/dt和Ls×dId/dt引起的负反馈机制、体二极管N基区过剩电荷提取以及动态传输特性等关键物理特征。更重要的是，该模型考虑了上下桥臂结温（TJ1和TJ2）对开关行为的独立影响，这对于高功率密度设计中的热管理优化至关重要。
对于阳光电源的产品开发，该模型可直接应用于逆变器和储能PCS的仿真设计阶段，实现更精确的损耗预测和热设计，减少物理样机迭代周期。特别是在1500V高压光伏系统和大容量储能系统中，精确的开关损耗建模能够帮助优化驱动电路参数、降低EMI干扰，提升系统整体效率0.2-0.5个百分点。
技术挑战方面，模型的实用化需要建立完善的器件参数提取方法和温度特性数据库，这要求与SiC器件供应商深度合作。此外，模型向三电平、多电平等复杂拓扑的扩展也需要进一步研究。从战略角度看，掌握此类核心建模技术将增强我司在高效功率变换领域的技术壁垒，支撑下一代超高效逆变器和储能产品的开发，契合"双碳"目标下的市场需求。