【R课堂】SiC MOSFET（21）电路工作原理和损耗分析

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在降压型DC-DC转换器中使用第4代SiC MOSFET的效果：电路工作原理和损耗分析
与第3代SiC MOSFET相比，第4代SiC MOSFET的高速开关特性改善尤为明显，这将非常有助于降低开关损耗。图3（a）是降压型DC-DC转换器的框图，图3（b）是其开关波形。

电路工作原理和损耗分析

降压型DCDC转换器

如图3（b）所示，DC-DC转换器中的功率器件SH和SL的损耗包括开关损耗Psw、传导损耗Pcond、体二极管损耗Pbody、反向恢复损耗PQrr和Coss损耗。（*由于Coss损耗很小，因此图中省略了Coss损耗）


在技术规格书中，开关损耗通常表示为Eon、Eoff的每个脉冲所消耗的能量。这个指标在初期设计阶段进行损耗粗略估算时很有用。在具体设计中，需要严谨地计算出在高电压输入和高频条件下的损耗。栅极电压值、栅极驱动器的Sink/Source电阻值、外置栅极电阻值等几Ω的值，会在几ns（纳秒）量级影响到开关时间（Trise/Tfall）。而这最终会导致损耗显著变化，因此栅极驱动器的优化设计将需要用到SiC MOSFET的高速开关特性。


低边SiC MOSFET SL产生的损耗
接下来，我们来了解一下低边SiC MOSFET SL产生的损耗。
State 7、State 11及State 1是死区时间。流向低边SiC MOSFET SL的体二极管的传导电流会产生损耗[公式（9）]。

公式（9）

在State 8～10中，低边SiC MOSFET SLの会产生传导损耗[公式（10）]。此时的有效电流通过公式（11）求得。

传导损耗

低边SiC MOSFET SL的Coss充放电损耗在 SL导通时（State 8）通常会被忽略，这是因为Coss电荷已经通过电感电流IL被放电而成为ZVS（Zero Voltage Switching）。
以上就是低边SiC MOSFET SL产生的损耗。


反向恢复损耗PQrr
反向恢复损耗PQrr发生的时间点是在State 3，是由低边SiC MOSFET SL的体二极管的反向恢复特性引起的损耗[公式（12）]。该损耗由高边SiC MOSFET SH和低边SiC MOSFET SL共同导致，在这里为了简单起见，归在高边SiC MOSFET SH产生的损耗中。

公式（12）

总损耗
综上所述，高边SiC MOSFET SH和低边SiC MOSFET SL的总损耗分别通过公式（13）和公式（14）求得。

公式（13）和公式（14）

尤其是关于开关损耗Psw，由公式（2）和公式（4）可知，Qgd（对栅-漏电容充电的米勒平台电荷量）越小，Trise/Tfall的时间越短，因此公式（1）中的开关损耗Psw得以降低。通过将Qgd降低至第3代SiC MOSFET的一半左右，第4代SiC MOSFET可实现更低的开关损耗。
这将有助于提高DC-DC转换器的开关频率，另外，在负载变化率大且整体上多以轻负载模式运行的EV中，可有效降低损耗，从而延长续航里程，降低运行成本。使用第4代SiC MOSFET所带来的这些效果，将会给客户来带很大的优势。

有奖问答：开关损耗通常表示为Eon、Eoff的每个脉冲_________。

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