【R课堂】新一代SiC MOSFET④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。

图3

图3

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。


高边SiC MOSFET SH产生的损耗
开关损耗仅由高边SiC MOSFET SH产生，通过公式（1）表示。下面来讲解其机理。

公式（1）

在State 1【图3（b）中的T期间编号，下同】，栅极电压VGS施加在高边SiC MOSFET（SH）上，当在State 2超过阈值VGS(th)时，电感电流开始快速流过SH时，电感电流开始快速流过VGS(on)（平台电压）之前的短短几纳秒内即可达到负载电流Io。然后在State 3（电压平台期）期间通道开通, VDS达到0V。State 2 和State 3期间是公式（2）中所示的导通时的开关期间Trise。在技术规格书中通常不会给出State 2的电荷量，所以在公式（2）中电荷量是通过Qgs估算的，用系数k进行调整（通常k为1/3-1/4）。

公式（2）

另外，栅极电流Ig_on是由栅极驱动器电压VGS和栅极导通电压VGS(on)之间的电位差以及那里存在的电阻量决定的，因此可通过公式（3）来计算。公式中的Rsrc表示栅极驱动器的源极电阻，Rg_ext表示外置栅极电阻，Rg_int表示SiC MOSFET内部栅极电阻。

有奖问答：在该Trise期间，由于存储在漏-源电容CossH中的电荷会在通道中短路，因此会产生所示的_________。

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