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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

一种用于EMI分析的半桥封装SiC功率MOSFET动态电容一步提取方法

One-Step Method of Dynamic Capacitances Extraction From a SiC Power MOSFET in a Half-Bridge Package for EMI Analysis

作者 Jaewon Rhee · Sanguk Lee · Changmin Lee · Seongho Woo · Hongseok Kim · Jiseong Kim
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 金属氧化物半导体场效应晶体管 电磁干扰 动态电容特性 半桥结构 电容提取
语言:

中文摘要

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的电磁干扰(EMI)和动态电容特性是电路设计和电磁兼容性方面的重要考量因素。MOSFET是一种广泛应用于开关领域的半导体器件。MOSFET的动态电容特性与电路的开关行为以及电磁干扰的产生密切相关。因此,为了进行电磁干扰分析和控制功率转换系统,必须准确了解MOSFET的电容。MOSFET的电容会随直流偏置电压而变化。换句话说,这意味着电磁干扰特性可能会因工作条件而异,因此必须基于直流电压来获取电容值。目前已有大量关于单个MOSFET电容提取的研究。然而,随着端子数量的增加,半桥结构的复杂度也会提高,因此传统研究存在一定局限性。本文提出了一种仅通过一步测量即可提取半桥MOSFET动态电容的方法。通过改变半桥MOSFET的端子连接方式,利用二端口S参数测量得到动态电容。通过仿真和实验验证了所提方法的有效性,并进行了开关测试以开展电磁干扰分析。

English Abstract

The electromagnetic interference (EMI) and dynamic capacitance characteristics of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (mosfets) are essential considerations in circuit design and electromagnetic compatibility. A mosfet is a semiconductor widely used in switching applications. The dynamic capacitance characteristics of a mosfet are closely related to the switching behavior of the circuit and EMI generation. Therefore, for EMI analysis and to control power conversion systems, the capacitances of the mosfets have to be accurately known. The capacitance of a mosfet changes depending on the dc bias voltage. In other words, this means that EMI characteristics may vary depending on operating conditions, so capacitance must be obtained based on the dc voltage. Much research has been conducted on the capacitance extraction of a single mosfet. However, the complexity of the half-bridge structure increases as the number of terminals increases, so conventional research has limitations. This article proposes a method to extract the half-bridge mosfet dynamic capacitances simply using a one-step measurement. By changing the terminal connection of the half-bridge mosfet, the dynamic capacitances were obtained through two-port S-parameter measurement. The proposed method was verified through simulation and experiment, and a switching test was performed for EMI analysis.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对半桥封装SiC功率MOSFET动态电容提取的研究具有重要的工程应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,SiC MOSFET已成为提升功率密度和效率的关键器件,而精确掌握其动态电容特性是优化EMI性能和满足电磁兼容标准的前提。

该论文提出的一步法提取技术突破了传统单管测试的局限性,直接针对半桥结构进行动态电容表征。这对阳光电源的产品开发具有三方面价值:首先,能够在设计阶段更准确地预测EMI特性,缩短滤波器设计迭代周期,降低研发成本;其次,基于直流偏置电压的电容提取方法可帮助工程师理解不同工况下的EMI变化规律,这对于宽输入电压范围的光伏逆变器和储能系统尤为关键;第三,通过S参数测量获取的精确模型可直接用于仿真验证,提升系统级EMC设计的可靠性。

从技术成熟度评估,该方法基于成熟的S参数测量技术,具备较好的工程化基础。但实际应用中仍需关注几个挑战:不同封装形式的适配性验证、高温高压等极端工况下的测试可靠性、以及与现有设计流程的集成效率。建议阳光电源的功率电子研发团队可将此方法纳入SiC器件选型和应用评估体系,特别是在1500V高压储能系统和高频化逆变器开发中优先验证其有效性,以建立差异化的EMC设计能力,进一步巩固在高端新能源装备市场的技术领先地位。