[發明專利]一種基于雙脈沖測試的碳化硅MOSFET關斷過程建模方法

有效

• 申請號: 202110367212.3
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113076712B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 黃志召;康勇;陳材;劉新民;熊勇;李宇雄
• 申請（專利權）人: 武漢羿變電氣有限公司
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F30/23;G06F17/13
• 代理公司: 武漢瑞創星知識產權代理事務所(普通合伙) 42274
• 代理人: 葉小勤

1.一種基于雙脈沖測試的碳化硅MOSFET關斷過程的建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、搭建基于SiC MOSFET的雙脈沖測試電路；

S2、基于所述SiC MOSFET關斷過程中的各中間模態，建立各中間過程的等效電路；

S3、基于各中間過程的等效電路，建立關斷過程的狀態空間方程組；

S4、對所建立的微分方程組進行求解，從而得出基于SiC MOSFET的雙脈沖測試電路的關斷過程模型；

步驟S2中，所述建立各中間過程的等效電路具體包括：

對于SiC二極管，其等效電路是一個理想二極管D與一個寄生電容C_D進行并聯，其中電容C_D存在等效串聯電阻R_D，貢獻高頻振蕩衰減過程中的阻尼；SiC二極管具有兩種工作模態：續流狀態與關斷狀態，SiC二極管在續流狀態時為一個理想二極管，在關斷狀態時視為一個帶寄生電阻的非線性電容；

對于SiC MOSFET，其等效電路包括理想MOSFET、寄生電容C_ds、C_gs、C_gd以及柵極內電阻R_int，C_ds存在等效串聯電阻R_MC，R_MC與C_ds串聯后連接在理想MOSFET的D極與S極之間，C_gd與C_gs串聯后連接在理想MOSFET的D極與S極之間，R_int的一端連接在C_gd與C_gs之間；SiC MOSFET具有三種工作模態：關斷狀態，受控電流源狀態以及導通狀態，在關斷狀態時，理想MOSFET的D極與S極之間等效為斷開，在受控電流源狀態時，理想MOSFET的D極至S極之間等效為連接電流源，在導通狀態時，理想MOSFET的D極至S極之間等效連接漏源電阻R_ds；

步驟S3具體包括將SiC MOSFET關斷過程分為4個階段，以柵源電壓V_gs、柵極電流I_g、漏源電壓V_ds、漏極電壓I_d、漏源極電容電流I_MC、二極管電容等效電壓V’_D作為狀態變量，建立關斷過程的狀態空間方程組：

階段1：在此階段，SiC MOSFET工作在導通狀態，SiC二極管工作在關斷狀態，時間t由時間t₀開始驅動電壓V_dr由高電平變為低電平，柵源電壓V_gs開始下降，此階段1的狀態方程為：

當V_gs下降到密勒電壓V_mil時，階段1結束，關斷過程進入階段2；

階段2：當柵源電壓V_gs達到密勒電壓V_mil后，SiC MOSFET變成由柵源電壓V_gs控制的電流源，SiC二極管依舊保持關斷狀態；在這一階段，柵源電壓V_gs進一步下降，因此溝道電流I_ch和漏極電流I_d下降，SiC MOSFET漏源極電壓V_ds上升；當V_D-V_F的時間早于V_gsV_th時，關斷過程進入3-1階段，其中V_th為MOSFET柵極閾值電壓，V_D為SiC二極管電壓；若V_gsV_th早于V_D-V_F，則關斷過程進入3-2階段，此階段2的狀態方程為：

階段3包含階段3-1和階段3-2；

階段3-1：當V_D到達SiC二極管的反向導通電壓-V_F時，SiC二極管進入續流狀態，同時SiCMOSFET保持可控電流源狀態，在這一過程中，I_d和I_ch加速下降，V_gs繼續下降，V_ds進入過壓與震蕩階段，當V_gs達到V_th時，關斷過程進入第4階段，此階段3-1的狀態方程為：

階段3-2：當V_gs率先達到V_th時，SiC MOSFET的溝道關斷，與此同時SiC二極管還沒開始續流，因此SiC MOSFET和SiC二極管均工作在電容狀態，此過程中I_ch已經降低到0，漏極電流I_d繼續下降，I_d流經結電容并對結電容進行充電，V_ds繼續上升，當V_D達到-V_F時，關斷過程進入第4階段，此階段3-2的狀態方程為：

階段4，關斷過程到達此階段時，SiC MOSFET溝道已關斷，SiC二極管達到續流狀態，在此階段電壓電流將出現震蕩并逐漸衰減，V_gs持續降低，當各電壓電流量達到穩定時，關斷過程結束，此階段4的狀態方程為：

其中，L_c為SiC二極管的陰極電感，L_g為驅動回路電感，外接驅動電阻為R_g，R_int為柵極內部電阻，R_l為回路等效電阻，V_DC為直流電壓，V_dr為驅動電壓，I_L為電感電流，L_t為功率回路寄生電感之和。