由于硅碳化物(SiC)MOSFET器件具有高電壓能力、較低的導(dǎo)通電阻、高溫操作的耐受性以及相對(duì)于硅更高的功率密度等固有特性，越來越受到電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的青睞。因此，基于SiC的變換器和逆變器是電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車(BEVs)、可再生能源以及其他對(duì)效率要求極高應(yīng)用的最佳選擇。

意識(shí)到這些改進(jìn)的特性，設(shè)計(jì)師需要使用可靠的工具和方法來估算損耗，以確定合適的冷卻系統(tǒng)，并最終影響整體效率。在2024年亞太電力電子會(huì)議(APEC)上發(fā)表的一篇論文提出了一種基于對(duì)能量損耗特性的非線性擬合操作的損耗估算模型。研究表明，使用這種方法與基于線性近似的最常見數(shù)值技術(shù)相比，可以顯著提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

器件級(jí)模型與系統(tǒng)級(jí)模型：優(yōu)缺點(diǎn)

估算損耗有兩種不同的模型。

器件級(jí)模型旨在開發(fā)一個(gè)廣泛的MOSFET器件數(shù)學(xué)開關(guān)模型，考慮諸如電容、電導(dǎo)率、體二極管反向恢復(fù)以及與封裝和布局相關(guān)的寄生電感等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)手冊(cè)信息或直接測(cè)量。在特定的SiC MOSFET情況下，這些工具已被精煉，以考慮更寬的溫度操作范圍和更高的頻率能力。

一般而言，所呈現(xiàn)的模型通常表現(xiàn)出較高的復(fù)雜性，并依賴于器件參數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)通過測(cè)量來確定，因?yàn)樗鼈儾⒉豢偸强稍诠?yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得。因此，提出了基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)的修改模型。例如，探討了結(jié)電容的線性化及其對(duì)損耗預(yù)測(cè)精度的影響，特別是在零電壓開關(guān)(ZVS)拓?fù)浞矫?，使用了在?shù)據(jù)手冊(cè)中顯示的有限信息。

相反，系統(tǒng)級(jí)模型則與應(yīng)用緊密相關(guān)，利用MOSFET制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果。然而，由于半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的信息可能既不詳盡也不代表整體SiC MOSFET的操作條件，損耗計(jì)算模型的構(gòu)建方式是通過低復(fù)雜度函數(shù)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以捕獲各種測(cè)試條件的組合。Onsemi的Elite Power Simulator和Wolfspeed的SpeedFit?設(shè)計(jì)模擬器是基于這種方法的兩個(gè)示例。

總之，器件級(jí)模型因?qū)ζ骷_關(guān)行為的良好描述而相當(dāng)準(zhǔn)確，適用于各種操作條件而不受限制。無論如何，模型的復(fù)雜性由于其計(jì)算成本和估算寄生元件所需的額外特征化而構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)級(jí)模型允許設(shè)計(jì)師在所需精度和計(jì)算成本之間達(dá)到可接受的權(quán)衡。在任何情況下，運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)模型需要制造商的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集來自SiC供應(yīng)商設(shè)計(jì)的特定電源電路布局。此外，寄生參數(shù)如雜散電感和電容對(duì)最終用戶不可用。所有這些都加劇了由于線性近似例程處理有限數(shù)據(jù)手冊(cè)信息而導(dǎo)致的功率變換器能量損耗的高估。

多項(xiàng)式和樣條插值

參考文獻(xiàn)中建議的方法對(duì)數(shù)據(jù)集的數(shù)值進(jìn)行操作，以執(zhí)行可能包括多項(xiàng)式或樣條插值的特定擬合過程，從而承諾提供更準(zhǔn)確的能量損耗估算。盡管作者在一個(gè)特定架構(gòu)中調(diào)試了該方法，即Wolfspeed開發(fā)的包含SiC MOSFET C3M0032120Jl的半橋配置評(píng)估板，但該方法仍然相當(dāng)通用。

更具體地說，基于雙脈沖測(cè)試(DPT)對(duì)這些SiC器件進(jìn)行了特征化，以實(shí)驗(yàn)性地重現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)集，從而運(yùn)行損耗模型并考慮評(píng)估板的固有寄生參數(shù)。最后一步是直接基準(zhǔn)測(cè)試，將Wolfspeed生成的數(shù)值與所提出的損耗模型得出的結(jié)果進(jìn)行比較。

順便提一下，樣條插值是一種強(qiáng)大的數(shù)值算法，用于通過給定數(shù)據(jù)點(diǎn)集使曲線光滑。樣條插值有助于規(guī)避高階多項(xiàng)式插值的陷阱，這種插值有時(shí)導(dǎo)致過度的振蕩行為，因此在某些較小區(qū)間內(nèi)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的圖形表示不同。樣條插值通過使用復(fù)合多項(xiàng)式(樣條)而不是定義在整個(gè)感興趣區(qū)間的一次高階多項(xiàng)式來避免振蕩。常見的樣條類型包括線性、二次和三次樣條。三次樣條尤其受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┝斯饣院挽`活性。

新提出的損耗模型

圖1展示了所建議方法的流程圖。值得注意的是，該模型同樣適用于其他功率器件，無論是硅基還是氮化鎵(GaN)。

在選擇目標(biāo)SiC器件后，開通(Eon)和關(guān)斷(Eoff)開關(guān)能量損耗作為漏電流ID和結(jié)溫Tj的函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定，對(duì)于給定的漏源電壓VDS;這在可用的情況下也可以使用數(shù)據(jù)手冊(cè)信息進(jìn)行。在實(shí)際操作中，對(duì)于1200V SiC MOSFET，大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)在Tj等于25°C時(shí)顯示Eon和Eoff與ID在600V和800V下的曲線。不同的是，Eon和Eoff與Tj的特性僅在VDS=800V和固定ID下進(jìn)行表征，通常與最大連續(xù)漏電流相吻合。

關(guān)于導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通電阻RDS(on)是其依賴的參數(shù)，以柵源電壓Vgs、ID和Tj表示，Vgs由選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)器來設(shè)定。輸入數(shù)據(jù)集通過添加典型的體二極管電流-電壓特性(ISD, VSD)在第三象限(反向?qū)▍^(qū))進(jìn)行補(bǔ)充，通常在三個(gè)不同的Tj值下提供。更具體地說，在25°C和最大允許結(jié)溫Tjmax下的特性在特定應(yīng)用施加的操作范圍內(nèi)進(jìn)行線性化。該過程使得能夠識(shí)別零電流下的電壓Vt0以及在兩個(gè)Tj值下二極管的動(dòng)態(tài)電阻Rd。

通過實(shí)施非線性插值，包括多項(xiàng)式或樣條方法，可以改進(jìn)特征曲線的形狀，使得能量損耗估算比最常見的線性插值更為準(zhǔn)確。之后，根據(jù)特定功率變換器的直流連接電壓(VDC)、Tj和與開關(guān)及體二極管相關(guān)的電流特性，所開發(fā)的模型評(píng)估總導(dǎo)通損耗(包括晶體管開關(guān)和體二極管的損耗)以及晶體管開關(guān)損耗。例如，晶體管的開關(guān)損耗(下標(biāo)“t”)和體二極管的開關(guān)損耗(下標(biāo)“d”)可以表示為：

Pcond,t = RDS(on) * I2rms,t 和 Pcond,d = Vt0 * Iav + Rd * I2rms,d，其中兩個(gè)Irms表示晶體管和二極管電流的均方根值，而Iav表示平均電流。作為示例，圖2展示了在VDC=600V和Tj=28oC下，Eon和Eoff曲線與ID的關(guān)系，并比較了線性插值、多項(xiàng)式插值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

比較分析與結(jié)論

為了驗(yàn)證所提出的損耗模型，Plexim的PLECS(分段線性電氣電路仿真)工具被用作參考。該工具代表了基于能量損耗特性的線性近似的常見數(shù)據(jù)集。通過使用PLECS執(zhí)行DPT、所提出的損耗模型和實(shí)驗(yàn)生成的數(shù)據(jù)所獲得的Eon和Eoff結(jié)果在圖3的表格中進(jìn)行了總結(jié)。具體而言，考慮了四種情況，包括未知的VDC(700V)、ID(34A、36A)和Tj(53°C)值，其中在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中不可用任何信息。

也考慮了未知值的不同組合，以調(diào)查對(duì)開關(guān)能量損失結(jié)果的特定或綜合影響。確實(shí)，與當(dāng)前文獻(xiàn)和用于功率電子設(shè)計(jì)的數(shù)值工具在處理SiC器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中有限信息時(shí)所執(zhí)行的最常見線性近似不同，所提出的損耗模型顯示出在所有考慮的操作條件下均達(dá)成了更低的估算誤差。