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功率器件技术 ★ 5.0

基于电荷轨迹的MOSFET寄生电容全面表征方法

Comprehensive MOSFET Capacitance Characterization Based on Charge Trajectories

作者 Michihiro Shintani · Kazuki Oishi · Yota Nishitani · Hajime Takayama · Takashi Sato
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年6月
技术分类 功率器件技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 功率MOSFET 寄生电容 开关波形 电容测量方法 开关时序误差
语言:

中文摘要

提出了一种确定功率金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)寄生电容的新方法。与传统方法依赖于特定偏置条件下的小信号测量不同,该方法利用 MOSFET 的瞬时开关波形来表征其电容。开关波形本质上为所有电极建立了合适的偏置电压,反映了实际工作条件。通过分析开关过程中的电荷转移轨迹,可确定栅 - 源电容、漏 - 栅电容和漏 - 源电容。评估表明,采用该方法得出的电容模型能够准确再现使用碳化硅(SiC)MOSFET 的升压转换器中的开关波形,与通过小信号测量得到的传统模型相比,开关时序误差降低至原来的四分之一。

English Abstract

A novel method for determining the parasitic capacitance of power MOSFETs is proposed. Unlike conventional methods that rely on small-signal measurements under specific bias conditions, the proposed method leverages the instantaneous switching waveforms of a MOSFET to characterize its capacitance. The switching waveform inherently establishes appropriate bias voltages for all electrodes, reflecting real-world operating conditions. By analyzing charge transfer trajectories during switching, the gate-source, drain-gate, and drain-source capacitances are determined. Evaluations demonstrate that the capacitance models derived from the proposed method accurately reproduce the switching waveforms in a boost converter using a silicon carbide (SiC) MOSFET, leading to a 4 reduction in switching timing errors compared to conventional models obtained through the small-signal measurements.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于电荷轨迹的MOSFET寄生电容表征技术具有显著的工程应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,功率开关器件的精确建模直接影响系统效率、电磁兼容性和可靠性设计。

该技术的核心创新在于突破了传统小信号测量方法的局限性。传统方法在特定偏置条件下测试,难以反映器件在实际开关过程中的动态特性,而该方法通过分析真实开关波形来提取电容参数,使模型更贴近实际工作状态。论文中提到的开关时序误差降低4倍这一指标,对于阳光电源的高频化、高功率密度逆变器设计意义重大——更精确的器件模型可显著提升仿真准确度,缩短产品开发周期,降低过度设计成本。

特别是在SiC MOSFET应用方面,该技术展现出直接价值。阳光电源正大力推进碳化硅技术在1500V光伏系统和大容量储能系统中的应用,而SiC器件的高开关频率特性使得寄生电容的非线性效应更加突出。准确的电容模型能够优化驱动电路设计、减少开关损耗、改善EMI性能,这对提升系统整体效率和可靠性至关重要。

从技术成熟度看,该方法已在升压变换器上得到验证,具备工程化基础。潜在挑战在于如何将其集成到现有的器件选型和电路设计流程中,以及建立标准化的测试规范。对阳光电源而言,这项技术可作为内部器件评估工具,支撑自主研发的功率模块优化,并在与器件供应商的深度合作中形成差异化的技术能力,进一步巩固在新能源电力电子领域的技术领先地位。