【《碳化硅MOSFET模型与直接串联电路概述》2000字】

碳化硅MOSFET模型与直接串联电路概述目录TOC\o"1-3"\h\u8252碳化硅MOSFET模型与直接串联电路概述 138651.1碳化硅MOSFET模型 1290551.2碳化硅MOSFET直接串联电路 7串联碳化硅MOSFET电路存在着稳态时各管子分压不均的问题，严重时甚至会发生击穿现象，引起火灾。研究串联碳化硅MOSFET的关键是研究碳化硅MOSFET关断过程情况，了解清楚其关断暂态过程对解决这一难题有着极其重要的意义，为此本文先建立碳化硅MOSFET等效理论模型，其次配上与之对应的串联测试电路。1.1碳化硅MOSFET模型首先介绍一下碳化硅MOSFET的电气符号图如图2-1所示，G—门极、D—漏极、S—源极，其中结温Tj也影响着碳化硅MOSFET的开关特性。图2-2为碳化硅MOSFET的安全工作区图形，为了保证碳化硅MOSFET安全可靠工作，其必须工作在实阴影部分。图2-1碳化硅MOSFET电气符号图2-2碳化硅MOSFET安全工作区图2-3是从电路角度出发进行表示的碳化硅MOSFET等效模型，Rg_int为MOSFET内部栅极电阻；iCH为沟道电流，本质上为受控电流源；Lg、Ld、Ls分别是为因封装而引起的寄生电感；Cgs、Cds、Cdg为等效结电容Cj。图2-3碳化硅MOSFET等效电路Rg_int为碳化硅MOSFET栅极寄生电阻，与等效结电容形成RC充放电回路，主要是抑制开关管通断过程中形成的位移电流，降低充放电速率，防止注入栅极电流过大从而起到保护MOSFET绝缘层的作用。当外接驱动电路电路时，可以与驱动电路中存在的驱动电阻合并，从而进行简化。相对于栅极电阻来说，碳化硅MOSFET的等效结电容所起作用更大，以下主要分析结电容的作用。结电容直接影响了开关过程，在回路中不断地进行充放电，影响着碳化硅MOSFET的开关性能，但结电容不像线性栅极电阻那样，结电容的大小随着外部电压的变化而变化，这结电容的非线性给理论不利于人们进行分析，原因是碳化硅MOSFET的PN结厚度随电压变化而变化，因此为解决这一困难Wolfspeed公司制造碳化硅MOSFETC2M0040120D给出了结电容与漏源电压的关系。如图2-4所示。图2-4C2M0040120D结电容、漏源电压函数图像其中Ciss=Cgs+Cdg，Crss=Cdg，Coss=Cdg+Cds，从图中可以看出Ciss基本保持不变，而Coss、Crss却随着漏源电压的升高而减小，表现出非线性，这是碳化硅MOSFET在开关过程中所形成的PN结随着时间不断变化而变化，漏源电压的大小也不停变化的结果。可以通过查表的方式得出各个漏源电压下对应的结电容大小，尽管理论上无法预知结电容的数值大小，但这至少是一种解决实际问题的方法，在下一章节中将会着重分析结电容的非线性影响。碳化硅MOSFET的结温对于其性能影响如图2-5所示，漏源电流的大小与载流子有关，当结温保持不变时，驱动电压越大，漏源电流越大，其原因为载流子吸收更多的电场能，更容易挣脱束缚变为自由粒子；当驱动电压保持为恒值时，结温越大漏源电流越大，其原因是结温越大，载流子能量越大，更容易挣脱束缚变为自由粒子；当漏源电流保持不变时，结温越小，驱动电压必须越大，以此来达到载流子减少的热能与增加的电场能相互抵消，从而维持漏源电流保持不变。图2-5C2M0040120D栅源电压、漏极电流、结温之间的关系首先介绍一下如何查表，由于我们知道结电容与漏源电压的关系，也知道漏源电压与世间的关系，为此可以得到结电容与时间之间的关系，其基本思想如图2-6所示。本文将查表时间步长设置为0.1ns，对每一个时间步长△t，将结电容考虑为此步长开始时刻的值并保持不变，依据此电容计算Vds电压上升率。根据计算得到的结果在每个时间步长结束之后更新Vds和结电容的值，再次计算Vds电压上升率，如此循环至各个MOSFET的Vds之和等于电源电压为止。从MOSFET数据表中以0.1V的电压步长按照线性插值提取0到1000V的结电容数据，以此保证计算的精度。图2-6查表法原理图本文用LTspice对N-Channe碳化硅MOSFET进行了仿真，得到其输出特性如图2-7所示，显然碳化硅MOSFET与MOSFET相比，输出特性几本上相同，且均有截止区、恒流区、可变电阻区，总体来看，栅源电压增大，漏源电流逐渐增大直到饱和。截止区为门极电压未达到碳化硅MOSFET的阈值电压，无论漏源电压有多大，碳化硅MOSFET始终保持截止，对应曲线为接近于0的水平段，故称其为截止区；恒流区为漏源电压大于阈值电压后即使再增大，漏源电流达到饱和因此始终保持不变，对应曲线为大于0的水平段，即为恒定值，故称其为恒流区；可变电阻区为栅源电压尽管大于阈值电压但值仍较小，当栅源电压有微小变动时，漏源电流也会发生微小变化，其对应曲线为斜线部分，故称其为可变电阻区。图2-7碳化硅MOSFET对外输出特性1.2碳化硅MOSFET直接串联电路本文以如图2-8搭建碳化硅MOSFET直接串联电路，以此来分析串联碳化硅MOSFET的关断均压特性，同时搭建的该电路为典型的的斩波电路，由两只碳化硅MOSFETS1和S2、碳化硅肖特基二极管D、大电容C（稳压/降低纹波系数）、直流电源VDC、驱动电路、隔离电路、放大电路、变压器组成。因碳化硅SBD结电容与MOSFET结电容性质相差不大，可以采取相同的处理方法。驱动电路采取电压控制的PWM方式，通过改变驱动脉冲电压源频率、占空比等方式来控制产生PWM波，进而控制碳化硅MOSFETS1、S2的导通状态，测出碳化硅MOSFET的关断特性。在碳化硅MOSFET直接串联电路中，本文忽略了寄生电感的影响，因为寄生电感很大程度上是封装时导