基于有限状态机（FSM）的SiC MOSFET开关瞬态建模分析模型

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

在航空，舰船系统和电动汽车领域已经发现，[1] [2] [3]最好的解决方案之一是碳化硅（SiC）MOSFET，因为它具有高频HF和高功率。 -其转换器的密度。与基于硅Si的IGBT相比，SiC MOSFET可以提供更快的开关速度和更低的功耗。这个因素使其能够以更高的开关频率工作，该开关频率估计为几百千赫兹。最终将提高功率转换器的电荷密度和效率[4] [5]。

与物理模型和香料模型相比，分析模型具有在准确性和简单性之间做出有效权衡的趋势[6] [7]。

[8] [9] [10] [11] [12] []有大量模型，例如开关瞬态，寄生参数的影响，开关损耗，开关振荡和高频（HF）电磁干扰（EMI）噪声。 [13]已经给出，但是它们都不能应用于开关损耗。

本文将详细阐述基于有限状态机（FSM）的分析模型，该模型专门用于评估HF EMI噪声和开关损耗方面的开关特性。

开关暂态的解析模型

图1显示了处于开关瞬态阶段且基于电感钳位电路的SiC MOSFET建模过程，该电感钳位电路几乎没有称为Cgs，Cds和Cgd的关键寄生参数。由于寄生参数会对SiC MOSFET的特性产生重大影响，因此应该对建模进行重要考虑。

图1：电感钳位电路的拓扑

导通状态的表征

导通瞬变中还有4个子阶段。这四个子阶段显示了电感钳位电路中栅极和功率栅极环路之间的关系[14]。这些子阶段被命名为

子阶段S11（接通延迟）

子阶段S12（电流换向）

子级S13（电压换向）

子阶段S14（开启振铃）

关断状态的表征

就像在“开启”中一样，“关闭”状态的表征也包含4个子阶段。在这里可以正确地说，在子级S11（接通延迟），子级S12（电流换向）和子级S13（电压换向）的接通状态下使用的机制是相似的后续步骤，例如S21（关断延迟），S22（电压换向）和S23（电流换向）。唯一的变化是在称为S24的“关闭”振铃阶段[14]中。 

结电容和跨导建模

CV特性曲线说明结电容的基于Si的器件和SiC MOSFET非线性。CV特性的曲线拟合具有解释这些电容建模的能力。图2显示了拟合和测量的CV特性曲线之间的比较，而图3显示了拟合和测量的IV特性曲线之间的比较，可以表征跨导。

 

 

使用FSM建模开关状态

FSM的采用说明了瞬态切换过程中各子级之间的相互作用。图4显示了FSM的流程图。表1和表2分别显示了在开启和关闭瞬态期间FSM的重要功能。

 

 

模拟与实验

仿真环境

半桥模块中的输出端子（Vds，Vak和Id）以及FSM已与源连接，该源提供实现信号接口和电气接口之间转换所需的电压/电流[14]。表3列出了寄生参数的值。

表3：寄生参数值

实验设置

图5显示了实验的设置。在本实验中，选择了Wolfspeed的C3M0120090D和CVFD20065A作为SiC MOSFET和SiC SBD [14]。双脉冲信号已被用来控制由DSPc产生的栅极驱动[14]。Lecroy Wave-Runner 8404-M用于获取开关波形。电压探头PPE2KV（2 kV，400 MHz）用于测量漏源电压，而漏极电流则是通过按比例缩小的电流互感器（CT）与电流探头TCP312A（30 A ，100 MHz）[14]。

图5：实验设置

结果与分析

用于该实验的条件是vdc = 600/400 V，iL = 15 A，Rg（ex）在10到47Ω之间变化[14]。vds的计算包括在MOSFET的引线电感（Ld和Ls）中的实际测量中所施加的电压降。从仿真结果可以清楚地表明，该分析模型可用于评估SiC MOSFET的开关特性。结果还表明，可以降低高频EMI，但要以开关损耗为代价[14]。

结论

本文已经阐述了基于FSM的分析模型，用于评估SiC MOSFET的开关特性，包括瞬态响应速度，开关损耗和HF EMI噪声。FSM用于分析性地对开关瞬态进行建模，它负责过渡阶段每个子级的表征和分析，以及CV和IV特性的建模。基于仿真与实验的比较，得出不同方面的结论。可以得出结论，此处实验的模型具有全面评估开关特性的能力，并且有望为具有高频HF和采用SiC MOSFET进行高密度设计的功率转换器提供更多指导。

想要查询更多的信息：

[1] S. Yin，Tseng KJ，R。Simanjorang，Y。Liu和J. Pou，“适用于更多电动飞机的50 kW高频高效SiC电压源逆变器”， IEEE Trans。工业电气，卷。64，不。2017年11月，第9124-9134页。

[2] F. Wang，Z。Zhang，T。Ericsen，R。Raju，R。Burgos和D. Boroyevich，“船用系统的功率转换和驱动器的进步”，IEEE论文集，第1卷。103号 12月，第2285-2311页，2015年。

[3] X.Ding，M.Du，T。Zhou，H。Guo和C. Zhang，“碳化硅MOSFET与基于IGBT的电动汽车牵引系统之间的综合比较”，《应用能源》，第1卷，第1期。194，第626–634页，2017年。

[4] X. She，AQ Huang，O。Lucia和B. Ozpineci，“碳化硅功率器件及其应用综述”，《 IEEE电子工业交易》，第1卷。64，不。10，第8193–8205页，2017年。

[5] L. Zhang，X。Yuan，X。Wu，C。Shi，J。Zhang和Y. Zhang，“与Si IGBT模块相比，大功率SiC MOSFET模块的性能评估”，《 IEEE Transactions on Power》电子，卷。34号 2，第1181–1196页，2019年。

[6] TR McNutt，AR Hefner，HA Mantooth，D。Berning和S.-H。Ryu，“碳化硅功率MOSFET模型和参数提取序列”，《电力电子IEEE交易》，第1卷。22号 2，第353-363页，2007年。

[7] S. Yin，P。Tu，P。Wang，TJ Tseng，C。Qi，X。Hu，M。Zagrodnik和R. Simanjorang，“用于开关损耗的SiC半桥模块的精确子电路模型优化，”《 IEEE工业应用交易》，第1卷。53号 4，页3840-3848，2017。

[8] Z. Chen，“ SiC有源器件的高开关速度特性的表征和建模”，硕士论文，弗吉尼亚理工学院和州立大学，美国布莱克斯堡，2009年。

[9] MR Ahmed，R。Todd和AJ Forsyth，“预测硬开关，软开关和错误导通条件下的SiC MOSFET行为”，《 IEEE Transactions on Industrial Electronics》，第1卷。64，不。2017年11月，页9001–9011。

[10] J. Wang，HS-h。钟和RT-h。Li，“寄生元件对MOS-FET开关性能的影响的表征和实验评估”，《 IEEE电力电子学报》，第1卷。28号 1，第573–590页，2013年。

[11] M. Liang，TQ Zheng和Y. Li，“用于预测SiC MOSFET开关性能的改进分析模型”，《电力电子学报》，第1卷。16号 1，第374–387页，2016年。

[12]王X.Zhao Zhao，K。Li，Y。Zhu和K. Chen，“ SiC MOSFET损耗计算的分析方法论”，《 IEEE新兴和精选电子期刊》，第1卷。7号 1，第71–83页，2019年。

[13] T. Liu，R。Ning，TTY Wong和ZJ Shen，“ SiC MOSFET开关振荡的建模和分析”，《 IEEE电子学新兴和精选主题期刊》，第1卷。4，没有 3，第747–756页，2016年。[14]基于有限状态机的SiC MOSFET开关特性的解析模型吴英哲，山银2和惠丽1 1电子科技大学航天航空学院中国，成都2中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心，中国成都

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