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碳化硅MOSFET碳化硅(SiC)MOSFET 建模

雖然SiC MOSFET比傳統(tǒng)的Si MOSFET有很多優(yōu)點，但其昂貴的價格卻限制了SiC MOSFET的廣泛應(yīng)用。近年來隨著SiC技術(shù)的成熟，SiC MOSFET的價格已經(jīng)有了顯著的下降，應(yīng)用范圍也進一步擴展，在不久的將來必將成為新一代主流的低損耗功率器件。 在實際的工程應(yīng)用及設(shè)計開發(fā)過程中，經(jīng)常需要對SiC MOSFET的開關(guān)特性、靜態(tài)特性及功率損耗進行分析，以便對整個系統(tǒng)的效率做有效的評估。因此，有必要建立一個精確的SiC MOSFET模型作為工程應(yīng)用中系統(tǒng)分析和效率評估的基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外研究人員對于SiC MOSFET的建模研究日漸深入，取得了較多的進展。其中部分文獻著重于SiC MOSFET物理特性的建模，但不適用于工程應(yīng)用中的分析和評估。部分文獻采用了傳統(tǒng)Si MOSFET的建模思想，一篇弗吉尼亞理工的碩士畢業(yè)論文，對1200V20A的SiC MOSFET進行建模，但該模型僅在分立的溫度點下設(shè)置分立的參數(shù)組，其他溫度點進行線性插值，模型隨溫度變化時的準(zhǔn)確度不能保證。北卡羅來納州立大學(xué)的王軍博士提出了一種適用于10kV SiC MOSFET的變溫度參數(shù)建模方法，對SiC MOSFET的建模具有普遍的指導(dǎo)意義，已得到業(yè)界比較廣泛的認(rèn)可和接受，Rohm公司也相繼推出了600V及1200V的SiC MOSFET。因此，建立一個適用于目前主流中低壓SiC MOSFET的模型就顯得尤為重要。

碳化硅MOSFETSiC MOSFET 的驅(qū)動電路

由于SiC MOSFET器件特性與傳統(tǒng)的Si MOSFET有較大差別，SiC MOSFET驅(qū)動電路也是一項研究的重點。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生電容更小。以量產(chǎn)的CMF20120D 為例， 其輸 入 電 容僅 有1915 pF， 但 與 其功 率 等 級 相 同 的 Si MOSFET IXFB30N120P的輸入電容有22.5nF，兩者相差超過十倍。因此，SiC MOSFET對驅(qū)動電路的寄生參數(shù)更敏感。另一方面，目前量產(chǎn)的SiC MOSFET的驅(qū)動電壓范圍為 -5V~ 25V ，建議驅(qū)動電壓一般為-2V/ 20V；而傳統(tǒng)的Si MOSFET的驅(qū)動電壓范圍為-30V~ 30V，建議驅(qū)動電壓一般為0/ 15V。因此，SiC MOSFET與傳統(tǒng)的Si MOSFET相比，安全閾值很小，驅(qū)動電路的一個電壓尖峰很可能就會擊穿GS之間的氧化層，這也是驅(qū)動電路需要精心設(shè)計的另一個原因。

量產(chǎn)的SiC MOSFET設(shè)計了專用的驅(qū)動芯片。另一家SiCMOSFET也提供了關(guān)于驅(qū)動的相關(guān)資料。CMF20120D技術(shù)手冊上提供的驅(qū)動電路，采用光耦隔離，驅(qū)動芯片采用IXDI414，-VEE與地之間需接入多個電容，以抵消線路感抗對驅(qū)動波形的影響。然而datasheet中并未給出 VCC和-VEE的電源解決方案，且IXDI414可提供14A的峰值電流，而實際應(yīng)用過程中，驅(qū)動電路一般 很難從驅(qū)動芯片中抽取14A的電流，故這款驅(qū)動芯片并非很合適。

綜上所述，結(jié)合SiC MOSFET本身的特點及優(yōu)勢，其驅(qū)動電路的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

1) 滿足SiC MOSFET高速開關(guān)的要求，使用驅(qū)動能力較強的驅(qū)動芯片。

2) 盡量減小驅(qū)動電路寄生電感的影響，在PCB布局時應(yīng)加入適量的吸收電容。

3) 為保證SiC MOSFET的可靠關(guān)斷，避免噪聲干擾可能導(dǎo)致的誤開通，應(yīng)采用負壓關(guān)斷。

碳化硅MOSFET雙有源橋(DAB)研究及應(yīng)用

雙有源橋(DAB)作為大功率隔離雙向DC-DC變換器的一種，其拓撲最早由DeDoncker于1988年提出DAB主要應(yīng)用于HEV中蓄電池側(cè)與高壓直流母線之間的雙向能量傳輸、航空電源系統(tǒng)及新能源系統(tǒng)中，與其他大功率隔離雙向DC-DC變換器相比，DAB的最大優(yōu)勢是其功率密度大，且體積重量相對較小。DAB結(jié)構(gòu)對稱，兩邊各由全橋結(jié)構(gòu)的拓撲構(gòu)成，可實現(xiàn)能量的雙向傳輸，且能實現(xiàn)兩側(cè)的電氣隔離。開關(guān)管應(yīng)力較低，且沒有額外的濾波電感，僅通過變壓器的漏感作為能量傳輸單元，變換器可實現(xiàn)很高的功率密度。電流紋波不是很大，對輸入輸出側(cè)的濾波電容的要求不是很高。DAB在一定功率范圍內(nèi)可以實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，這樣DAB的工作頻率就可以設(shè)置得較高，可進一步減小變壓器和濾波電容的體積，提高功率密度。

傳統(tǒng)的DAB一般采用移相控制，其中φ為移相角，變壓器原副邊匝比設(shè)為n。當(dāng)功率從VL流向VH時，開關(guān)管Q1、Q4超前Q5、Q8；當(dāng)功率從VH流向VL時，開關(guān)管Q5、Q8超前Q1、Q4。但傳統(tǒng)控制策略下的DAB有諸多問題，比如軟開關(guān)范圍窄、輕載時功率回流現(xiàn)象嚴(yán)重、電壓輸入范圍窄等。

功率回流

功率回流是指DAB在功率傳輸時，電感Ls上的電流和原邊側(cè)電壓存在相位相反的階段，導(dǎo)致功率流回電源中。

輸入電壓范圍

結(jié)合軟開關(guān)范圍和功率回流的分析，不難看出傳統(tǒng)移相控制DAB的又一個缺點：輸入電壓范圍窄。當(dāng)DAB中變壓器原副邊匝數(shù)比n確定后，如果輸入電壓V1范圍變化較寬，則原副邊電壓d的變化范圍較寬，軟開關(guān)的范圍將受到嚴(yán)重限制，直接影響到變換器的效率。同樣的，當(dāng)輸入電壓范圍變寬后，意味著移相角的變化范圍也必須相應(yīng)變寬，較寬的電壓范圍必然會導(dǎo)致功率回流現(xiàn)象更嚴(yán)重。因此，為保證DAB能有較高的轉(zhuǎn)換效率，雙有源橋的輸入必須控制在較小范圍內(nèi)。

針對傳統(tǒng)控制策略下 DAB 的諸多不足，從 2008 年起，國內(nèi)外很多研究人員相繼提出了多種改進型的控制策略，對 DAB 的研究也進入了一個新的高度。改進型控制方法的主要思想是，不僅原副邊的開關(guān)管移相（即傳統(tǒng)控制方法，Q1、Q4及 Q5Q8有移相角 D2），而且同一側(cè)橋臂也設(shè)置移相角（Q1Q2Q3Q4存在移相 D1）。這些控制方式又能細分，有一側(cè)橋臂設(shè)置內(nèi)移相角 D1，另一側(cè)橋臂仍用傳統(tǒng)的移相方法，不設(shè)置內(nèi)移相角；或者原副邊都移相，均設(shè)置D1，但兩側(cè)的內(nèi)移相角 D1可能不同。又根據(jù) D1與 D2的大小關(guān)系，另結(jié)合 V1與 nV2的關(guān)系，有很多種不同的組合方式，從而有不一樣的模態(tài)。其最終的控制手段還是通過改變變壓器原副邊的電壓波形，從而改變加在 LS兩端的電壓，最終改變 LS的電流，達到不同的優(yōu)化目的。

通過改變內(nèi)移相角 D1，可以改變變壓器兩端電壓 V1或 V2的波形，V1與 V2 9 的不同（包括幅值大小及相位差），即可達到控制 LS電流的目的，從而對軟開關(guān)范圍、功率回流等問題有所改善。

有文獻較系統(tǒng)地介紹了以上一些不同的控制方法，推導(dǎo)了部分控制模式下的數(shù)學(xué)模型。該文獻主要針對的是 ZVS 范圍及電感電流有效值來提高效率。文獻中提出，對于兩端口的DAB，兩側(cè)橋臂都設(shè)置移相角 D1的控制方法優(yōu)勢并不明顯。對于這種兩側(cè)都移相的控制方法在多端口的情況下還要做進一步分析。

有文獻針對功率回流的問題提出了改進的控制方法，該文獻采用的是兩側(cè)橋臂都移相的控制方法，不僅原副邊的 Q1Q2和 Q5Q6存在移相，同側(cè)橋臂的 Q1Q2和 Q3Q4也存在移相。這種控制方法的復(fù)雜之處在于，輸出功率是同時與 D1D2相關(guān)的，在同一個輸出功率下D1D2有很多種組合方式。如何通過 PI 調(diào)節(jié)獲得最優(yōu)化的 D1D2組合是控制策略優(yōu)化的關(guān)鍵。文獻中論述了在某些特性條件下，這種兩側(cè)移相的控制方法可以使功率回流為零，并論證了該特殊條件下可以實現(xiàn)全負載范圍的軟開關(guān)，動態(tài)特性較傳統(tǒng)移相控制方法更優(yōu)。 解讀詞條背后的知識

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