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文章信息
论文《An analytical switching model of SiC MOSFET considering the junction temperature characteristics》于2022年12月收录于《Digital Twin》期刊，文章由南京航空航天大学自动化学院的王亚强，伍群芳，王勤，肖岚，朱君临，许博源，孙志峰共同完成。
论文提出了一种考虑结温特性的SiC MOSFET精确开关行为模型，基于器件数据手册相关特性曲线，通过“数据提取+参数拟合”方式精确地建立了阈值电压、导通电阻、转移特性和体二极管导通特性的温度模型，以及体二极管反向恢复特性和寄生电容的数学模型。在此基础上，建立了考虑PCB板非线性电容、杂散电阻和杂散电感等寄生参数的高频开关行为模型,选取Wolfspeed公司型号为C3M0075120K的SiC MOSFET作为验证对象，并与LTspice仿真、双脉冲实验结果对比分析，结果表明所建模型能准确地描述SiC MOSFET的开关特性和结温特性。所提建模方法亦适用于其他功率器件的开关行为建模，具有较好的应用价值。
DOI:10.12688/digitaltwin.17774.1
引用本文：
Wang YQ, Wu QF, Wang Q et al. An analytical switching model of SiC MOSFET considering the junction temperature characteristics [version 1; peer review: awaiting peer review]. Digital Twin 2022, 2:19
文章阅读
An analytical switching model of SiC MOSFET considering the junction temperature characteristics
Yaqiang Wang, Qunfang Wu, Qin Wang, Lan Xiao, Junlin Zhu, Boyuan Xu, Zhifeng Sun
College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210067, China
摘要
由于碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)厂商提供的模型一般只适用于特定的软件，为了方便设计工作，本文基于MATLAB提出了一种考虑结温特性的SiC MOSFET精确开关行为模型。开关过程所需参数的结温特性，包括SiC MOSFET的阈值电压、导通电阻和转移特性、体二极管的阈值电压和输出特性，这些都是从制造商提供的SiC MOSFET的数据表中提取出来的。然后建立了测试电路的瞬态过程模型，包括非线性电容、来自封装和印刷电路板的寄生电阻和寄生电感。然后，对切换过程的各个子阶段进行了详细的分析，并利用MATLAB对解析模型进行了数值求解。最后，以Wolfspeed公司生产的SiC MOSFET C3M0075120K为例，对所建立的模型进行了验证，并与LTspice仿真和实验结果进行了对比，验证了模型的准确性。因此，所提出的模型具有可应用性，特别是在涉及结温的设计中。
关键词
分析模型，结温，碳化硅(SiC) MOSFET，体二极管，开关瞬态过程
1、研究背景
研究问题：由于制造商提供的SiC MOSFET模型通常只适用于特定软件，设计工作中的模型准确性变得至关重要，尤其是在转换器设计、功率损耗估算等方面。结温是不应忽视的重要参数，它影响着SiC MOSFET在实际应用、寿命预测和可靠性分析中的表现。因此，需要一个能够准确反映结温特性的SiC MOSFET模型。
研究难点：尽管已有大量关于SiC MOSFET温度特性的研究，但工业界和学术界的研究结果存在差异。现有模型要么只考虑了SiC MOSFET阈值电压的低温特性，要么仅用单一函数拟合了SiC MOSFET的输出和转移特性曲线，无法准确描述SiC MOSFET在瞬态过程中的特性，尤其是温度敏感参数的变化。
文献综述：文章回顾了现有文献中关于SiC MOSFET温度特性的研究，包括传统硅（Si）MOSFET建模方法的改进、使用双曲正切函数拟合SiC MOSFET的漏电流和体二极管电流、宽温度范围模型的提出、仅考虑阈值电压和导通电阻温度特性的模型、以及考虑结温影响的SiC MOSFET半桥功率模块的逐步建模方法等。这些研究在不同程度上考虑了温度特性，但都存在一定的局限性，如难以获取模型中的物理系数、未准确描述结温与参数之间的关系、忽略了结温对体二极管的影响等。
2、研究方法
SiC MOSFET开关模型：提出了一种基于MATLAB的SiC MOSFET开关模型，该模型考虑了结温特性。模型基于制造商提供的SiC MOSFET数据表，提取了开关过程中所需的参数，包括阈值电压、导通电阻和转移特性，以及体二极管的阈值电压和输出特性。
瞬态过程建模：创建了测试电路瞬态过程的模型，包括封装和印刷电路板的非线性电容、寄生电阻和寄生电感。详细分析了开关过程的每个子阶段，并使用MATLAB数值求解分析模型。
模型验证：选择Wolfspeed生产的C3M0075120K SiC MOSFET作为案例研究，通过与LTspice仿真和实验结果的比较验证了所建模型的准确性。
3、模型参数
双脉冲测试电路参数：描述了双脉冲测试（DPT）电路中使用的SiC MOSFET串联模型参数，包括电阻、寄生电感、寄生电容和温度敏感的电气参数（TSEPs）。
寄生参数：详细说明了模型中的寄生电阻和寄生电感，包括门电阻、SiC MOSFET的导通电阻以及电源电路中的寄生电阻。
寄生电感：包括电源电路寄生电感和SiC MOSFET引脚寄生电感的组合。
寄生电容：根据数据表中的Coss、Ciss、Crss曲线，使用特定公式拟合非线性电容。
4、温度敏感电气参数
阈值电压Vth：根据数据表中的温度曲线，使用二次拟合公式表示阈值电压随结温变化的关系。
导通电阻Rds(on)：考虑了漏极电流、栅源电压和结温对导通电阻的影响，并进行了二次温度拟合。
SiC MOSFET转移特性：基于数据表中的常见拟合形式，选择了适合的拟合形式，并考虑了结温的影响。
体二极管阈值电压Vth_bd：体二极管的阈值电压也进行了二次拟合。
体二极管输出特性：对体二极管的输出特性进行了拟合，以反映其在开关过程中的影响。
5、提出模型
建模方法：使用类似于SiC MOSFET硬开关分析模型的方法，引入了五个状态变量：通道电流ich、栅源电压Vgs、漏极电流id、漏源电压Vds和体二极管电压Vbd。这些状态变量根据状态空间方程求解。
开关过程分析：详细分析了开关过程中的五个子阶段，包括截止区、放大区和饱和区，并描述了每个区域的通道电流。
6、实验验证
实验设置：设计了双脉冲测试（DPT）装置，使用Wolfspeed的C3M0075120K SiC MOSFET进行实验验证。实验参数包括寄生电阻和寄生电感，实验环境温度范围为25℃至150℃。
结温拟合：使用特定公式拟合了C3M0075120K的非线性电容，并给出了拟合系数。同时，根据表达式(2) ~ (13)拟合了TSEPs，并展示了拟合曲线。
模型验证：在MATLAB中实现了模型，并与LTspice仿真和实验结果进行了比较。在25℃至150℃的宽温度范围内验证了模型的正确性。
7、结论
模型的准确性：所提出的SiC MOSFET模型考虑了结温效应，与LTspice仿真和实验结果具有高度一致性。模型适用于任何SiC MOSFET，为电力电子工程师提供了一种便捷的设计和系统分析方法。
模型的局限性：尽管模型与实验结果高度一致，但仍然存在一些差异，主要是由于寄生参数无法完全与实际情况一致，以及测量设备在ns级测量中存在误差。
未来优化空间：模型仍有优化空间，未来可以考虑在更广泛的SiC MOSFET型号上应用，以验证模型的通用性和准确性。
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