1.3 开关性能

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第三部分,开关性能 90 年代起半导体制造商 开始努力推动低 RDSON MOSFET 的发展 结果发现通过增加单元密度 来降低电阻的传统方式 总会导致栅极电荷按比例的增大 这会对高频开关应用产生不利的影响 尤其是尝试在 100k 以上的频率下面工作时 为了量化功率晶体管在开关应用中的有效性 MOSFET 的品质因数被提了起来 它等于 RDSON 和总栅极电荷的乘积 右图里 Qg 是总的栅极电荷 开关管的漏极电流 只有在栅极电压到门槛电压以后 才开始逐渐地增加 Qgs2 是从门槛电压 VTH 到密勒平台电压所需要的电荷量 到密勒平台区以后 漏极电压开始下降 Qgd 是指过程中泄放 Cgd 电容上的电压 所需要的电荷量 这是开关损耗里很大的一部分 因此总的电荷量 Qg 能够保证 FET 沟道能够完全地饱和 获得最低的导通电阻 由于开关特性的差异 我们据此把品质因数分成了 硬开关情况下的品质因数 软开关情况下的品质因数 比如在软开关情况下面 它就消除了 Qgd 和 Qrr 的影响 在本节的内容里面 我们考虑用定量的方式 来比较开关器件的导通损耗 器件手册会提供 Coss 输出电容的非线性的曲线 它是一个小信号的模型 设计者可以用来建模器件的寄生电容 但是并不适合用来做开关损耗的分析 MOSFET 的开关损耗分析 基于大信号开关的模型 我们可以用简单的半桥线路来进行测量 以获得平均的大信号的参数 Eson 和 Cson 如我们下图所示 这里我们计算了单颗器件的 一个开关周期里面的开通损耗 因此表达式里还有 1/4 和开关周期 T 只要我们通过能量等于 CV²/2 可以获得大信号的 Coss 电容 Cson 它等于 2×Eson/Vs² 这些参数我们随后会用来 作为输入电压和输入电流的函数 来估算开通损耗 下面我们显示了碳化硅 FET 在 800V 输入条件下测试的样机 以及它相关的开通波形 为减小线路板的寄生电容的影响 我们这里采用了 18V 的电池电压 加上隔离驱动器进行驱动 半桥的 FET 和散热片在这个评估板的底下 紫色的波形为电流探头测试的 低端的 FET 的充电电流 它代表了 MOSFET 的开通损耗 通过上述的方式 我们来比较 WBG 和硅器件的开通损耗 这张图里面 我们给出了 GaN 和 Super-Junction FET 在不同输入电压情况下 大信号等效电容 Cson 的曲线 蓝色代表了 600V GaN 的器件 红色曲线代表了 Super-Junction FET 很显然 GaN FET 的 Cson 在整个范围内 都远远低于 Super-Junction FET 相对应的他们的开通损耗的计算公式 在右下角列出 同样我们在这一页里面 对比了 900V 的碳化硅 和 COOL MOS 的输出电容 很显然 Super-Junction 技术在高压下 对于碳化硅来说 它的劣势非常地明显 在 900V 情况下面 碳化硅的等效输出电容 只是 Super-Junction FET 的一半 我们再来仔细看一下半桥架构 非线性输出电容 它的充电和放电回路的路径 图示里输出电容它存储能量 但是并不消耗能量 能量消耗在 MOSFET 的导通沟道电阻里面 如我们图中所示的电阻 在最初的半个周期里 上管导通 输出电容上的能量通过沟道电阻泄放 同时下管上输出的电容进行充电 前面提到我们在关断过程中 导通和关断损耗并不相等 不像 ic、id 它的损耗 是在沟道电阻内发生的 因此我们没有办法去测量 幸运的是我们会很快地看到 相关的放电损耗 可以通过总损耗充电的损耗的一个差值 来进行获得 我们来看一下碳化硅数据表里面的 输出电容 Coss 怎么用来实际生成 右上方我们所显示的 数据表里显示的放电曲线 我们把碳化硅的输出电容的数据 导入到 Excel 的文档里面 然后我们通过 Coss 对于输入电压 Vs 进行数字积分 我们可以获得相对于 Vs 的电压的 存储电荷 Qg 的曲线 如果我们中间图所示 然后我们对于该数字 再进行对于 Vs 的积分 我们可以获得右下角的放电能量的曲线 这个就是我们所看到的 在器件手册里的右图曲线 这种计算方式获得的结果里面 放电损耗并没有包含 对于输出电容充电相关损耗 左图里面显示的红色的矩形区域 表示我们的碳化硅器件在硬开关情况下面 用去的总的损耗 要估算导通电荷和相关的能量损耗 我们可以在这张图里叠加 之前获得的 Qson 的曲线 这里以绿色曲线表示 因此绿色线上方、红色下方 代表了放电的能量 绿色下方、横轴以上的区域 代表了我们所需要的充电的能量 在本节内容里面 我们主要介绍了 宽禁带器件开关的性能以及损耗的计算 谢谢大家
课程介绍 共计6课时,42分48秒

碳化硅和氮化镓器件在高频电源中的应用

新兴的宽禁带(WBG)碳化硅氮化镓功率器件越来越广泛地应用在电力电子产品中来提升效率和功率密度. 培训内容介绍了WBG功率器件特性, 及应用. 并且详细的分析了开关性能,损耗计算以及测试,仿真技巧.
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