SiCMOSFET和SiCSBD換流單元瞬態(tài)模型

來源：電氣技術

清華大學電機系電力系統(tǒng)及發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室的研究人員朱義誠、趙爭鳴、王旭東、施博辰，在2017年第12期《電工技術學報》上撰文指出，相較于硅（Si）器件，碳化硅（SiC）器件所具有的高開關速度與低通態(tài)電阻特性增加了其瞬態(tài)波形的非理想特性與對雜散參數(shù)影響的敏感性，對其瞬態(tài)建模的精度提出更高的要求。

通過功率開關器件瞬態(tài)過程的時間分段、機理解耦與參數(shù)解耦，突出器件開關特性，弱化物理機理，簡化瞬態(tài)過程分析，建立基于SiC MOSFET與SiC SBD的換流單元瞬態(tài)模型。理論計算結果與實驗結果對比表明，該模型能夠較為精細地體現(xiàn)SiC MOSFET開關瞬態(tài)波形且能夠較為準確地計算SiC MOSFET開關損耗。該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊提取，有較強的實用性。

相較于硅（Silicon, Si）材料，碳化硅（Silicon Carbide,SiC）材料具有更寬的禁帶寬度（Si的3倍），更高的臨界擊穿場強（Si的7倍）、更高的載流子遷移率（Si的2倍）及更高的熱傳導率[1,2]（Si的3.3倍）。與同等容量的Si器件相比，SiC器件具有更低的導通電阻、更小的結電容，且能承受更高的工作結溫，從而具有更低的器件損耗與更高的開關速度，有利于提高電力電子變換器的系統(tǒng)效率與功率密度[3-5]，使得SiC器件的應用日益廣泛。

目前在復雜電力電子變換器仿真中，SiC器件一般被視為理想開關，忽略瞬態(tài)過程中實際開關波形相較于理想開關波形的延遲與畸變，這一簡化導致了一系列的問題，例如：①對于瞬態(tài)過程中具有破壞性的尖峰電壓與尖峰電流難以準確分析與仿真，開關器件可靠性問題突出；②對于功率開關器件輸出的電磁能量脈沖的瞬態(tài)過程難以精確控制，控制性能有待提高；③對于開關損耗難以準確計算。為了實現(xiàn)基于SiC器件的電力電子變換器瞬態(tài)過程仿真，應首先對SiC器件進行瞬態(tài)建模和分析。

由于SiC器件的特性與傳統(tǒng)的Si器件相比有所不同，使得Si器件的開關瞬態(tài)分析與建模方法并不完全適用于SiC器件。與相同耐壓等級的Si器件相比，SiC器件具有更高的開關速度與更低的通態(tài)電阻，這使得其開關瞬態(tài)波形的電壓電流變化率與尖峰更高、高頻振蕩時間更長，非理想特性更加顯著，對于雜散參數(shù)的影響更加敏感，這對其瞬態(tài)建模精度提出了更高的要求[6]。

功率開關器件的開關瞬態(tài)過程是多種機理復雜耦合的物理過程，為了簡化分析，可根據(jù)瞬態(tài)開關特性及開關器件狀態(tài)將瞬態(tài)過程分段，在各個階段中僅考慮起主導作用的物理機制與顯著變化的模型參數(shù)，忽略其他機制的影響與其他參數(shù)的變化，從而實現(xiàn)瞬態(tài)過程分析中的多物理機理解耦與非線性參數(shù)解耦。通過功率開關器件瞬態(tài)過程的時間分段、機理解耦與參數(shù)解耦，能夠突出器件開關特性，弱化物理機理，便于參數(shù)提取與系統(tǒng)仿真。

在電力電子變換器中，開關器件以組合模式工作，其中最基本的開關組合模式是由一對“互鎖”的開關器件構成一個基本換流單元。SiC MOSFET Q與SiC SBD VD構成一個基本換流單元，Lload為負載電感，Csource為直流母線電容，Rg(ext)為驅(qū)動回路外接電阻。

由于開關器件瞬態(tài)過程是由一對“互鎖”開關共同作用的換流過程，其中兩個開關器件的瞬態(tài)過程相互影響，因此在建立反映功率開關器件瞬態(tài)波形的行為模型時，應當將一對“互鎖”開關作為一個換流單元進行整體建模，而不能對單一器件建模。需要指出的是，在復雜拓撲變換器（如多電平變換器）中，換流單元中兩個互鎖開關的組合方式可能會隨換流回路的變化而改變，并不是唯一不變的。

基于上述認識，本文以全SiC器件雙脈沖測試電路為例，在分析其開關瞬態(tài)過程機理的基礎上，提出一種針對SiC MOSFET與SiC SBD換流單元的瞬態(tài)模型，該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊（datasheet）提取，具有良好的實用性。

與理想開關模型相比，該模型能夠較為準確地反映器件的瞬態(tài)波形與開關損耗。與以McNutt模型[7,8]為代表的物理機理模型相比，該模型適用于離散狀態(tài)事件驅(qū)動（Discrete StateEvent Driven, DSED）仿真體系，以工程上可接受的誤差代價，解決了物理機理模型參數(shù)難提取、仿真速度慢、計算不收斂等問題。

文獻[9]采用時間分段的方法分析了功率Si MOSFET的開關瞬態(tài)過程，但該模型并未給出由SBD（反向恢復過程可忽略）結電容所引起的MOSFET開通電流超調(diào)的準確分析方法，沒有考慮漏源極電壓vds快速變化過程中柵漏極電容Cgd的非線性特性對瞬態(tài)過程的影響，且參數(shù)無法全部從datasheet中提取。

文獻[10]采用時間分段的方法，提出了基于SiC MOSFET與SiC SBD的變換器解析損耗模型，但該模型沒有考慮vds快速變化過程中Cgd的非線性特性對于瞬態(tài)過程的影響，且并未對瞬態(tài)過程末尾的高頻振蕩進行建模。

結論

相較于Si器件，SiC器件所具有的高開關速度與低通態(tài)電阻特性增加了其瞬態(tài)波形的非理想特性與對雜散參數(shù)影響的敏感性，對其瞬態(tài)建模的精度提出了更高的要求。功率開關器件的開關瞬態(tài)過程是多種機理復雜耦合的物理過程，為了簡化分析，本文通過瞬態(tài)過程的時間分段、機理解耦與參數(shù)解耦，突出器件開關特性，弱化物理機理，建立了基于SiC MOSFET與SiC SBD的換流單元瞬態(tài)模型。

該模型能夠較為精細地體現(xiàn)SiC MOSFET開關瞬態(tài)波形特征且能夠較為準確地計算開關損耗。該模型參數(shù)可全部由數(shù)據(jù)手冊提取，有較強的實用性。由于本文模型建立在一定的假設簡化條件上，且無法考慮工作溫度變化對于SiC器件模型參數(shù)的影響，因此該模型適用于滿足模型簡化假設條件且器件工作溫度與datasheet參數(shù)測試溫度相近的應用場合。該模型參數(shù)的溫度修正方法有待后續(xù)完善。

審核編輯黃昊宇