SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

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清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员朱义诚、赵争鸣、王旭东、施博辰,在2017年第12期《电工技术学报》上撰文指出,相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。

通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。

相较于硅(Silicon, Si)材料,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)材料具有更宽的禁带宽度(Si的3倍),更高的临界击穿场强(Si的7倍)、更高的载流子迁移率(Si的2倍)及更高的热传导率[1,2](Si的3.3倍)。与同等容量的Si器件相比,SiC器件具有更低的导通电阻、更小的结电容,且能承受更高的工作结温,从而具有更低的器件损耗与更高的开关速度,有利于提高电力电子变换器的系统效率与功率密度[3-5],使得SiC器件的应用日益广泛。

目前在复杂电力电子变换器仿真中,SiC器件一般被视为理想开关,忽略瞬态过程中实际开关波形相较于理想开关波形的延迟与畸变,这一简化导致了一系列的问题,例如:①对于瞬态过程中具有破坏性的尖峰电压与尖峰电流难以准确分析与仿真,开关器件可靠性问题突出;②对于功率开关器件输出的电磁能量脉冲的瞬态过程难以精确控制,控制性能有待提高;③对于开关损耗难以准确计算。为了实现基于SiC器件的电力电子变换器瞬态过程仿真,应首先对SiC器件进行瞬态建模和分析。

由于SiC器件的特性与传统的Si器件相比有所不同,使得Si器件的开关瞬态分析与建模方法并不完全适用于SiC器件。与相同耐压等级的Si器件相比,SiC器件具有更高的开关速度与更低的通态电阻,这使得其开关瞬态波形的电压电流变化率与尖峰更高、高频振荡时间更长,非理想特性更加显著,对于杂散参数的影响更加敏感,这对其瞬态建模精度提出了更高的要求[6]。

功率开关器件的开关瞬态过程是多种机理复杂耦合的物理过程,为了简化分析,可根据瞬态开关特性及开关器件状态将瞬态过程分段,在各个阶段中仅考虑起主导作用的物理机制与显著变化的模型参数,忽略其他机制的影响与其他参数的变化,从而实现瞬态过程分析中的多物理机理解耦与非线性参数解耦。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,能够突出器件开关特性,弱化物理机理,便于参数提取与系统仿真。

在电力电子变换器中,开关器件以组合模式工作,其中最基本的开关组合模式是由一对“互锁”的开关器件构成一个基本换流单元,其电路如图1所示。SiC MOSFET Q与SiC SBD VD构成一个基本换流单元,Lload为负载电感,Csource为直流母线电容,Rg(ext)为驱动回路外接电阻。

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图1  基本换流单元电路

由于开关器件瞬态过程是由一对“互锁”开关共同作用的换流过程,其中两个开关器件的瞬态过程相互影响,因此在建立反映功率开关器件瞬态波形的行为模型时,应当将一对“互锁”开关作为一个换流单元进行整体建模,而不能对单一器件建模。需要指出的是,在复杂拓扑变换器(如多电平变换器)中,换流单元中两个互锁开关的组合方式可能会随换流回路的变化而改变,并不是唯一不变的。

基于上述认识,本文以全SiC器件双脉冲测试电路为例,在分析其开关瞬态过程机理的基础上,提出一种针对SiC MOSFET与SiC SBD换流单元的瞬态模型,该模型参数可全部由数据手册(datasheet)提取,具有良好的实用性。

与理想开关模型相比,该模型能够较为准确地反映器件的瞬态波形与开关损耗。与以McNutt模型[7,8]为代表的物理机理模型相比,该模型适用于离散状态事件驱动(Discrete StateEvent Driven, DSED)仿真体系,以工程上可接受的误差代价,解决了物理机理模型参数难提取、仿真速度慢、计算不收敛等问题。

文献[9]采用时间分段的方法分析了功率Si MOSFET的开关瞬态过程,但该模型并未给出由SBD(反向恢复过程可忽略)结电容所引起的MOSFET开通电流超调的准确分析方法,没有考虑漏源极电压vds快速变化过程中栅漏极电容Cgd的非线性特性对瞬态过程的影响,且参数无法全部从datasheet中提取。

文献[10]采用时间分段的方法,提出了基于SiC MOSFET与SiC SBD的变换器解析损耗模型,但该模型没有考虑vds快速变化过程中Cgd的非线性特性对于瞬态过程的影响,且并未对瞬态过程末尾的高频振荡进行建模。

结论

相较于Si器件,SiC器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出了更高的要求。功率开关器件的开关瞬态过程是多种机理复杂耦合的物理过程,为了简化分析,本文通过瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,建立了基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。

该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形特征且能够较为准确地计算开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。由于本文模型建立在一定的假设简化条件上,且无法考虑工作温度变化对于SiC器件模型参数的影响,因此该模型适用于满足模型简化假设条件且器件工作温度与datasheet参数测试温度相近的应用场合。该模型参数的温度修正方法有待后续完善。
 

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