碳化硅MOSFET开关瞬态模型

夏逸骁，陶雪慧

（苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州 215000）

碳化硅器件作为近年来的新型材料，在电力电子转换器的应用中受到更多的关注。碳化硅MOSFET具有击穿电场高、载流子饱和漂移速率快、高温高频下稳定性好、开关损耗低等优势[1-2]。利用碳化硅器件开关特性良好和开关损耗低的优势，如何控制它的寄生参数达到实际电路性能的优化的是讨论的重点。

针对开关瞬态过程的研究已经十分广泛，分为以下3种：电路模型、数学模型以及实验分析模型。电路模型通过软件仿真，能够直观感受寄生参数如何影响开关过程，但是要建立器件模型，仿真时间较长[3]。实验分析模型[4]直接提取出测试波形，但是无法从物理层面解释各寄生参数对整个电路的意义。而数学模型弥补了前面两者的不足：从理论出发，能够诠释开关过程的物理机制，并且对实际电路提供一定的参考价值。

1 碳化硅MOSFET开关模型

图1为考虑杂散参数的buck电路等效电路模型，功率回路中VDD为直流母线电压，驱动回路中Vpulse为脉冲电压源，其开通和关断电压为Vpulse1和Vpulse2，用来控制MOSFET的开通和关断[5-8]。buck电路整体参数：Lload是电路负载电感，Cload为负载电容，Rload为负载电阻，续流二极管使用碳化硅肖特基二极管，Cf为二极管的结电容。开关管为碳化硅MOSFET，其相关寄生参数如下：Rg代表栅极电阻，3个寄生电容分别为栅漏极电容Cgd、栅源极电容Cgs和漏源极电容Cds。寄生电感包括源极杂散电感Ls1、漏极杂散电感Ld1和栅极杂散电感Lg，以上为MOSFET内部的寄生电感。而MOSFET外部的杂散电感包括功率回路与驱动回路之间引线产生的寄生电感Ls2，直流母线VDD和MOSFET漏极[9]之间引线产生的寄生电感Ld2。为了进一步简化描述，记源极总电感Ls=Ls1+Ls2，漏极总电感Ld=Ld1+Ld2。

图1 buck电路等效电路模型

下面进行基于buck电路的碳化硅MOSFET[10-13]的开关瞬态过程建模与分析，仅以开通过程为例进行展开，关断过程变化率的提取省略。

阶段一：开通延迟

脉冲源电压Vpulse1开始驱动栅极，栅极电压Vgs从零开始上升。驱动电路对MOSFET的输入电容Ciss进行充电，Vgs上升到阈值电压Vth后该阶段结束。

阶段二：漏极电流上升

此阶段同时伴随电压及电流的变化，需要考虑它们之间的联系。随着栅极电压Vgs等于阈值电压以后，MOSFET导通，漏极电流id表达式如下：

考虑碳化硅MOSFET的驱动回路和功率回路，它的驱动回路和栅极电压表达式如下：

由式（1）～（4）联立可以得到栅极电压Vgs在该段时间的表达式如下：

式（5）的求解依赖于a2-4b的正负情况，若a2-4b＞0，则为过阻尼；若a2-4b＜0，则为欠阻尼。通过电路基本参数及MOSFET寄生参数进行计算。首先在器件的数据手册中找到该碳化硅器件（C2M00 80120D）寄生电容随电压的变化曲线，从中提取结电容与漏源极电压Vds的关系。

图2 数据手册中结电容—Vds变化曲线

根据第一部分理论分析，只需对栅源极电容Cgs以及栅漏极电容Cgd进行建模，图2中输入电容曲线几乎为一条直线，代表输入电容几乎为一个定值。再观察图中米勒电容Crss曲线，由于Crss=Cgd，故此曲线即为栅漏极电容的变化曲线，图3已经完成对0～50 V电压范围的参数拟合，得到其变化规律如式（6）所示：

图3 寄生电容Cgd—Vds拟合曲线

根据图3可以观察到，Cgd在此电压范围内下降速度极快，导致Cgs远大于Cgd，此时可以判断出a2-4b＞0，确定Vgs处于过阻尼状态后可以得到式（7）：

根据式（1），漏极电流id表达式如下：

阶段三：漏源极电压下降

图4 开通过程双电流变化情况

第一部分：伴随Vgs上升到Vmiller。

第二部分：栅极电压Vgs保持等于米勒电压Vmiller。

2 MOSFET寄生参数定量分析

大量文献通过离散值寄生电容的波形比较并不十分可取，只能大致看出其变化规律[14-16]。文中选择了同时基于不同参数进行分析。由第一部分的拟合结果可得到各寄生电容随着Vds变化的规律，在此基础之上根据变化率推导得出的公式进行参数分析。

第一组考虑参数为驱动电阻Rg（选择参数分别为 5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω、25 Ω）。

图5 考虑Vgs时不同Rg下的

第二组参数为源级电感Ls（选择参数分别为2 nH、5 nH、10 nH、20 nH、50 nH）。

图6 不同LS下的

其原因是在考虑寄生电容时，电感的影响程度远不及寄生电容，因此在电路的瞬态过程中可以忽略Ls对Vds的影响。而漏极电感Ld的提取结果与图6相似，几乎不影响Vds的变化。

同样按照2.1第一组考虑参数为Rg。

图7 不同Rg下的

可以发现Lload的增加抑制了漏极电流id的变化，但是主要影响0～20 V的情况，当Vds高于20 V后影响几乎忽略，原因是第一部分中提到的漏极电压下降分阶段进行，并且栅极电压变化也遭到抑制，因此在考虑Vgs的阶段，Vds的变化也将受到影响。图8中单一通过控制共源级电感Ls的效果不如图9中明显，可见漏极电感Ld也会抑制电流的变化，因此在参数选择时控制功率电路的总电感最为合适。

图8 不同LS下的

图9 不同Lload下的

最终得出结论如下：MOSFET的两个寄生电容影响其整个瞬态过程，将其加入到其余参数栅极驱动电阻Rg、源极电感Ls、漏极电感Ld的分析当中，Rg的增加减缓了栅极驱动电压的升高，进而抑制了漏极电流id和漏源极电压Vds的改变。Ls及Ld作为功率回路电感几乎不影响Vds的变化，但是两者在电流id变化过程中起到了抑制的作用。栅极电感Lg相比其余电感对瞬态过程影响几乎忽略，因此不作考虑。

3 结 论