使用LTspice估算SiC MOSFET的开关损耗

电力推进正越来越多地应用于所有技术领域。工业、交通、家庭自动化和其他部门越来越多地使用可再生能源。

为了正确利用这种能源，必须采用并大量使用转换器，其目的是将一种能源转换成另一种更适合最终使用的能源。今天，这些公司专注于减少转换器的重量和体积，以及提高它们的效率。使设备更轻的一种方法是增加开关频率。此外，今天的开关元件没有非常高的运行速度，不幸的是，在转换过程中不可避免地会损失一些能量（幸运的是，随着新电子元件的出现，这种能量越来越少）。让我们看看如何使用“LTspice”仿真程序来确定 SiC MOSFET 的开关损耗率。

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开关损耗

电力从一个层面到另一个层面的转变代表了一项旨在优化效率的技术挑战。最大的困难是与在开关瞬态期间抵消设备状态变化期间的能量损失有关的困难。事实上，当漏电流和漏源电压的值都大于零时，就会出现 MOSFET 的功耗。SPWM 模式下晶体管的正弦调制的平均功率损耗由图 1 中的公式确定。

图 1：确定 SPWM 状态下晶体管功率损耗的公式。

其数值参数如下：

f（sw）：是逆变器的开关频率；

E（T， on）：是导通状态下开关能量的损耗；

E（T， off）：是关断状态下的开关能量损耗。

IGBT 可以处理 5 kV 的电压和 1000 A 的电流，但开关频率不能超过 100 kHz。MOSFET 在高开关频率（甚至 MHz 量级）下工作良好，但其特点是导通电阻相对较高，传导损耗高，电压限制低于 600 V。理论上，SiC 器件可以克服这些问题。基于 SiC 的器件与基于 Si 的器件相比具有多个优势，例如减少能量损失和高开关频率。由于较小的内部电容，它们在 ON-OFF 转换期间也造成较少的损失。这些特性有助于提高转换器的效率并减少其重量和尺寸。不幸的是，碳化硅 MOSFET（与所有其他开关元件一样）是真正的器件并且具有开关损耗。这些发生在导通期间的非零压降以及开启和关闭之间的非理想和不同步转换。技术不断寻求改进电子元件，以实现非常高的工作速度和非常低的工作阻抗。

静态分析

尽管 SiC MOSFET 的 RDS （on） 电阻越来越低，但在大功率下存在明显的损耗。让我们看一下图 2中的图表，观察电路的静态行为。运行参数如下：

VCC：48V；

电压：20 伏；

电压：799.28893 毫伏；

R（负载）：5 欧姆；

I（负载）：9.4401426 A；

PD（负载）：445.58144 W。

电路效率为：

Eff = P（输出）/P（输入）* 100

从中：

效率 = 445.58144W / 453.12685W * 100

效率 = 98.335%

因此，在静态操作中，电路本身在导通状态下会出现损耗，因为电子开关并不理想，但电阻非常小。该电阻越低，电路的效率就越高。相同的电路允许我们计算 SiC 的 RDS（on），检查漏极和源极之间的电压以及通过它们的电流：

RDS （on） = （Vd – Vs） / Id

从中：

RDS （on） = （799.28893mV – 0） / 9.4401426 A

RDS（开）= 0.084669

实际上，它的行为几乎就像一个闭合的开关，也证实了 SiC 制造商 UF3C065080T3S 官方数据表中报告的规格，该数据表证明典型电阻为 80 毫欧。我们还可以通过将 MOSFET 的栅极接地并使用相同的公式测量电阻来计算 RDS（关断）电阻：

RDS （off） = （Vd – Vs） / Id

从中：

RDS（关闭）= （47.999928V – 0） / 14.797931 uA

RDS（关闭）= 3243691.83773 欧姆

它实际上几乎就像一个打开的开关。

图2：测量RDS（on）、RDS（off）和效率的接线图

动态分析

现在让我们检查动态和工作条件下 MOSFET 在 ON-OFF 开关阶段的行为。如前所述，尽管它们具有出色的功率、速度和低电阻特性，但电子开关的行为并不理想（参见图 3 中的接线图）。由于这些原因，所有转换电路都会受到不同开关损耗的影响。

图 3：检查功率损耗的接线图

事实上，由于非理想的转换会造成功率损耗，即状态的变化不是瞬时的，也不是同时发生的。换句话说，电压和电流转变不会同时发生。结果是功率损失，如图 4中的图表所示。由于事件的这种非同时性，在 ON-OFF 事务期间损失的能量很高。在图中，我们可以观察到以下信号：

绿色信号：它是从 48 V 切换到几乎 0 V 的漏极电压。在示例中，开关频率为 100 kHz；

淡蓝色信号：这是流经Drain（和负载）的电流，其值约为9.4 A。显然该信号与电压相位相反；

红色信号：它是 MOSFET 消耗的功率，关系为 V （Vd） * Ix （X1： nd） + V （Vg） * Ix （X1： ng）。如您所见，其最大峰值（115.27 W）位于逆变器状态变化处，峰值持续时间为几纳秒。

减少开关损耗的一种方法是产生零电压 （ZVS） 或零电流 （ZCS） 开关元件转换。为此，可以实施“软切换”和“硬切换”解决方案。

图 4：该图显示了开关转换期间 MOSFET 电压、电流和功率的值

结论

开关瞬态的分析建模是了解 SiC MOSFET 开关行为的有用方法。旨在计算功率损耗的仿真需要使用出色的 SPICE 模型。许多模型目前非常复杂或出现故障和近似，从而产生不准确的结果。在任何情况下，都有不同的技术来改进开关系统并提高电力转换电路的效率。

审核编辑：郭婷