碳化硅MOSFET開關瞬態模型

夏逸驍，陶雪慧

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇 蘇州 215000）

碳化硅器件作為近年來的新型材料，在電力電子轉換器的應用中受到更多的關注。碳化硅MOSFET具有擊穿電場高、載流子飽和漂移速率快、高溫高頻下穩定性好、開關損耗低等優勢[1-2]。利用碳化硅器件開關特性良好和開關損耗低的優勢，如何控制它的寄生參數達到實際電路性能的優化的是討論的重點。

針對開關瞬態過程的研究已經十分廣泛，分為以下3種：電路模型、數學模型以及實驗分析模型。電路模型通過軟件仿真，能夠直觀感受寄生參數如何影響開關過程，但是要建立器件模型，仿真時間較長[3]。實驗分析模型[4]直接提取出測試波形，但是無法從物理層面解釋各寄生參數對整個電路的意義。而數學模型彌補了前面兩者的不足：從理論出發，能夠詮釋開關過程的物理機制，并且對實際電路提供一定的參考價值。

1 碳化硅MOSFET開關模型

圖1為考慮雜散參數的buck電路等效電路模型，功率回路中VDD為直流母線電壓，驅動回路中Vpulse為脈沖電壓源，其開通和關斷電壓為Vpulse1和Vpulse2，用來控制MOSFET的開通和關斷[5-8]。buck電路整體參數：Lload是電路負載電感，Cload為負載電容，Rload為負載電阻，續流二極管使用碳化硅肖特基二極管，Cf為二極管的結電容。開關管為碳化硅MOSFET，其相關寄生參數如下：Rg代表柵極電阻，3個寄生電容分別為柵漏極電容Cgd、柵源極電容Cgs和漏源極電容Cds。寄生電感包括源極雜散電感Ls1、漏極雜散電感Ld1和柵極雜散電感Lg，以上為MOSFET內部的寄生電感。而MOSFET外部的雜散電感包括功率回路與驅動回路之間引線產生的寄生電感Ls2，直流母線VDD和MOSFET漏極[9]之間引線產生的寄生電感Ld2。為了進一步簡化描述，記源極總電感Ls=Ls1+Ls2，漏極總電感Ld=Ld1+Ld2。

圖1 buck電路等效電路模型

下面進行基于buck電路的碳化硅MOSFET[10-13]的開關瞬態過程建模與分析，僅以開通過程為例進行展開，關斷過程變化率的提取省略。

階段一：開通延遲

脈沖源電壓Vpulse1開始驅動柵極，柵極電壓Vgs從零開始上升。驅動電路對MOSFET的輸入電容Ciss進行充電，Vgs上升到閾值電壓Vth后該階段結束。

階段二：漏極電流上升

此階段同時伴隨電壓及電流的變化，需要考慮它們之間的聯系。隨著柵極電壓Vgs等于閾值電壓以后，MOSFET導通，漏極電流id表達式如下：

考慮碳化硅MOSFET的驅動回路和功率回路，它的驅動回路和柵極電壓表達式如下：

由式（1）～（4）聯立可以得到柵極電壓Vgs在該段時間的表達式如下：

式（5）的求解依賴于a2-4b的正負情況，若a2-4b＞0，則為過阻尼；若a2-4b＜0，則為欠阻尼。通過電路基本參數及MOSFET寄生參數進行計算。首先在器件的數據手冊中找到該碳化硅器件（C2M00 80120D）寄生電容隨電壓的變化曲線，從中提取結電容與漏源極電壓Vds的關系。

圖2 數據手冊中結電容—Vds變化曲線

根據第一部分理論分析，只需對柵源極電容Cgs以及柵漏極電容Cgd進行建模，圖2中輸入電容曲線幾乎為一條直線，代表輸入電容幾乎為一個定值。再觀察圖中米勒電容Crss曲線，由于Crss=Cgd，故此曲線即為柵漏極電容的變化曲線，圖3已經完成對0～50 V電壓范圍的參數擬合，得到其變化規律如式（6）所示：

圖3 寄生電容Cgd—Vds擬合曲線

根據圖3可以觀察到，Cgd在此電壓范圍內下降速度極快，導致Cgs遠大于Cgd，此時可以判斷出a2-4b＞0，確定Vgs處于過阻尼狀態后可以得到式（7）：

根據式（1），漏極電流id表達式如下：

階段三：漏源極電壓下降

圖4 開通過程雙電流變化情況

第一部分：伴隨Vgs上升到Vmiller。

第二部分：柵極電壓Vgs保持等于米勒電壓Vmiller。

2 MOSFET寄生參數定量分析

大量文獻通過離散值寄生電容的波形比較并不十分可取，只能大致看出其變化規律[14-16]。文中選擇了同時基于不同參數進行分析。由第一部分的擬合結果可得到各寄生電容隨著Vds變化的規律，在此基礎之上根據變化率推導得出的公式進行參數分析。

第一組考慮參數為驅動電阻Rg（選擇參數分別為 5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω、25 Ω）。

圖5 考慮Vgs時不同Rg下的

第二組參數為源級電感Ls（選擇參數分別為2 nH、5 nH、10 nH、20 nH、50 nH）。

圖6 不同LS下的

其原因是在考慮寄生電容時，電感的影響程度遠不及寄生電容，因此在電路的瞬態過程中可以忽略Ls對Vds的影響。而漏極電感Ld的提取結果與圖6相似，幾乎不影響Vds的變化。

同樣按照2.1第一組考慮參數為Rg。

圖7 不同Rg下的

可以發現Lload的增加抑制了漏極電流id的變化，但是主要影響0～20 V的情況，當Vds高于20 V后影響幾乎忽略，原因是第一部分中提到的漏極電壓下降分階段進行，并且柵極電壓變化也遭到抑制，因此在考慮Vgs的階段，Vds的變化也將受到影響。圖8中單一通過控制共源級電感Ls的效果不如圖9中明顯，可見漏極電感Ld也會抑制電流的變化，因此在參數選擇時控制功率電路的總電感最為合適。

圖8 不同LS下的

圖9 不同Lload下的

最終得出結論如下：MOSFET的兩個寄生電容影響其整個瞬態過程，將其加入到其余參數柵極驅動電阻Rg、源極電感Ls、漏極電感Ld的分析當中，Rg的增加減緩了柵極驅動電壓的升高，進而抑制了漏極電流id和漏源極電壓Vds的改變。Ls及Ld作為功率回路電感幾乎不影響Vds的變化，但是兩者在電流id變化過程中起到了抑制的作用。柵極電感Lg相比其余電感對瞬態過程影響幾乎忽略，因此不作考慮。

3 結 論