基于共源極電感的功率mosfe開關(guān)損耗測(cè)量

基于共源極電感的功率mosfe開關(guān)損耗測(cè)量

共源極規(guī)范測(cè)量芯片rosf近年來，隨著環(huán)境帶基準(zhǔn)的開發(fā)，碳化硅基莫斯基莫斯基一直致力于電機(jī)和光明設(shè)備的硬件互聯(lián)。回路寄生參數(shù)對(duì)于器件開關(guān)特性的影響主要包括器件的開關(guān)速度(di/dt、dv/dt)、器件的開關(guān)時(shí)間,電壓電流應(yīng)力以及開關(guān)損耗。文獻(xiàn)以上文獻(xiàn)中均是采用雙脈沖電路,直接測(cè)量MOSFET的漏源電壓和電流,然后將電壓和電流乘積積分后得到器件的開關(guān)損耗。這種直接測(cè)量電壓電流計(jì)算損耗的方法簡(jiǎn)單易行,而且非常直觀,但是存在一定的不足本文針對(duì)該方法存在的不足,選用了一種通過測(cè)量芯片結(jié)溫升和芯片熱阻然后計(jì)算得到芯片損耗的方法來研究共源極電感對(duì)于SiCMOSFET開關(guān)損耗的影響。在該實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1臺(tái)1kW/800V輸出的全碳化硅Boost電路樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。1實(shí)驗(yàn)原理和損害分析1.1mosfirt開關(guān)損耗的影響圖1中給出了SiC芯片與散熱器的空間物理結(jié)構(gòu)。本文關(guān)注的是共源極電感對(duì)于SiCMOSFET開關(guān)損耗的影響,通過測(cè)量電路樣機(jī)的熱阻和實(shí)際電路開關(guān)工作的芯片溫升間接得到器件損耗當(dāng)Boost電路持續(xù)工作至穩(wěn)定狀態(tài),芯片結(jié)溫也趨于穩(wěn)定。此時(shí)測(cè)量芯片中心至散熱器的結(jié)溫差,則芯片內(nèi)部的總損耗值為式中:△T芯片總損耗P式中:P式中:△V1.2子問題的開關(guān)損耗為了能夠區(qū)分損耗分析中的開通和關(guān)斷損耗,本文采用文獻(xiàn)第1組實(shí)驗(yàn):使開關(guān)管工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,硬開通和硬關(guān)斷,開關(guān)損耗表示為第2組為參照實(shí)驗(yàn):使開關(guān)管工作在零電壓開通,而保持關(guān)斷時(shí)的電壓、電流與第1組相同,此時(shí)得到的開關(guān)損耗全部為關(guān)斷損耗值,開關(guān)損耗表示為式中:E兩組實(shí)驗(yàn)器件關(guān)斷時(shí)的電壓和電流完全相同,兩組實(shí)驗(yàn)的關(guān)斷損耗值也相等,即式中,E圖2為實(shí)驗(yàn)中MOSFET寄生共源電感在回路中的示意簡(jiǎn)圖。由于普通的MOSFET器件封裝中,驅(qū)動(dòng)和功率共用源端,造成了共源電感。共源極電感對(duì)器件的開關(guān)過程是不利的,一方面它會(huì)加劇開關(guān)過程的電壓電流振蕩,另一方面它會(huì)減慢開關(guān)過程增加開關(guān)損耗。本文主要針對(duì)共源極電感對(duì)開關(guān)損耗的影響進(jìn)行研究,所以先不考慮其對(duì)于開關(guān)過程振蕩的影響。當(dāng)開關(guān)回路包含共源極電感時(shí),開關(guān)過程中電流的變化率會(huì)降低,這是由于共源極電感使得門極電壓和電流變化率之間存在負(fù)反饋關(guān)系,表示為式中:V圖3、圖4分別為實(shí)驗(yàn)中MOSFET硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下的波形對(duì)比。由圖可見,圖中E1.3持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)下熱阻測(cè)試本文采用熱成像儀讀取芯片的表面溫度。校準(zhǔn)熱成像儀,紅外發(fā)射率調(diào)整為0.90。使芯片工作在持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)下,此時(shí)芯片結(jié)溫的上升全部來自導(dǎo)通損耗自發(fā)熱產(chǎn)生的熱量。通過改變導(dǎo)通電流得到不同導(dǎo)通電流時(shí)的芯片結(jié)溫上升值,測(cè)量芯片兩端電壓和電流得到此時(shí)的芯片損耗。熱阻值擬合結(jié)果如圖5中所示。由圖可以看出,芯片結(jié)到散熱器的總熱阻值為1.562K/W。2平臺(tái)規(guī)模、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析2.1疫情防控所需的催化劑的結(jié)構(gòu)及工作原理搭建了1臺(tái)由SiCMOSFET和SiCSBD組成的Boost樣機(jī),電路結(jié)構(gòu)如圖6所示,參數(shù)表1所示。圖7為全碳化硅Boost橋臂模塊,SiCMOS-FET、SiCSBD和瓷片電容C2.2共源極pcr關(guān)斷損量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖8所示,圖中驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器經(jīng)光耦隔離,輸出電壓為-5~20V,外接門極驅(qū)動(dòng)電阻大小為1Ω。實(shí)驗(yàn)所用的直流電源和測(cè)試儀表如表2所示。實(shí)驗(yàn)采用開環(huán)測(cè)試,保持Boost電路輸入電壓為200V,輸出電壓為800V,阻性負(fù)載,輸出功率在1kW左右。硬開關(guān)實(shí)驗(yàn),驅(qū)動(dòng)分別加在G、S兩端(不含共源極電感L圖9為輸出功率1kW時(shí)硬開關(guān)波形,圖9(a)為包含共源極電感的開關(guān)波形。由圖可以看出,開通和關(guān)斷時(shí)門極電壓波形相比圖(b)不含共源極電感的波形有更為明顯的振蕩現(xiàn)象。圖10為根據(jù)上述分析方法得到的損耗,圖中S對(duì)應(yīng)表示不含共源極電感,S圖11為器件總開關(guān)損耗和頻率的關(guān)系,擬合得到的直線斜率即為器件單次開關(guān)損耗的能量。參照?qǐng)D11同樣可以得出器件單次開通和單次關(guān)斷的能量值大小。圖12為SiC基MOSFET硬開關(guān)單次開通和關(guān)斷能量對(duì)比。由圖可以看出,當(dāng)不含8.5nH的共源極電感時(shí),在本文實(shí)驗(yàn)條件下SiCMOSFET的硬開關(guān)時(shí)開通時(shí)單次開關(guān)能量由151.0μJ下降到137.5μJ,下降了8.9%;關(guān)斷時(shí)的差別并不明顯,原因如前文分析。為了進(jìn)一步觀察共源極電感對(duì)于SiCMOSFET關(guān)斷損耗的影響,增大ZVS軟開關(guān)實(shí)驗(yàn)的關(guān)斷電流進(jìn)行試驗(yàn)。圖13為輸出功率1kW時(shí)軟開關(guān)波形,圖(a)為含有共源極電感的開關(guān)波形,因?yàn)槭橇汶妷洪_通,所以開通波形和圖(b)不含共源極電感的波形一致。但關(guān)斷時(shí)門極電壓波形相比于圖(b)有更為明顯的振蕩現(xiàn)象。圖14是同為1kW輸出功率時(shí)SiCMOSFET硬開關(guān)和軟開關(guān)的單次開關(guān)能量。當(dāng)不含8.5nH的共源極電感,SiC基MOSFET在實(shí)驗(yàn)條件下的硬開關(guān)單次開關(guān)能量由162.0μJ下降到148.4μJ,下降了8.6%,軟開關(guān)單次開關(guān)能量由22.6μJ下降到19.8μJ,下降了12.4%。3開通和關(guān)斷的損耗和降低本文就共源極電感對(duì)于SiCMOSFET的開關(guān)損耗影響進(jìn)行了分析。通過測(cè)量芯片結(jié)溫溫升和芯片熱阻的方法間接得到芯片的損耗。并且通過采用零電