摘 要：为了探究功率驱动电路中寄生参数对SiC MOSFET高速开关特性的影响，对SiC MOSFET的材料特性及其开关瞬态行为中的动态特性进行系统研究。重点分析各种寄生元件参数对其开关过程的影响，建立SiC MOSFET在导通和关断过程的理论模型，开发双脉冲仿真平台；构建与实物参数一致的虚拟仿真环境，通过仿真和试验两种方法获取SiC MOSFET在不同栅源极电容和栅极电阻下的测试曲线。将仿真结果和试验结果进行对比，验证了栅源极电容和栅极电阻对SiC MOSFET开关瞬态行为的影响，同时也检验了本文仿真模型的准确性和精度。
引言
现代无人作战体系对伺服驱动系统的性能提出了更高的要求，随着永磁同步电机的应用日益广泛，功率半导体器件的性能成为制约伺服系统性能的重要因素。理想功率半导体器件通过宽禁带材料（SiC、GaN）与结构创新（超结、沟槽栅）的综合应用，在耐压、导通及动态性能上实现突破，成为电机控制器（MotorControlUnit，MCU）实现高频、高效、高可靠性的核心驱动力。目前电机控制器大多采用绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）作为功率半导体，其性能已经逼近极限。相对于IGBT功率半导体器件，碳化硅SiC MOSFET通过宽禁带材料特性与垂直导电结构设计，在耐压、开关速度及热管理方面实现对IGBT的全面超越。其带来的MCU系统级优化（高频化、轻量化、高效化）正推动新能源汽车、工业自动化等领域的技术范式变革。基于以上优越的性能，以SiC MOSFET取代IGBT作为MCU功率半导体已成为必然趋势。
相对于SiIGBT大约10kHz的开关频率，SiC MOSFET的开关频率可以轻松达到50kHz，更快的开关频率意味着更短的控制周期，更好的动态响应，更少的输出谐波，同时也对功率驱动电路的设计提出了更高的要求。 文 献［16］通 过建立精确的SiC MOSFET子电路模型，设计者可以在仿真环境中快速优化栅极电阻和驱动电路，减少对耗时实验的依赖。 这种方法不仅提高了设计效率，还为SiC MOSFET的栅极驱动器设计提供了理论指导，有助于实现更低的开关损耗和更高的系统效率。文献［17］提出了一种新型栅极辅助电路，旨在有效解决SiC MOSFET在开关过程中因电压快速变化和寄生参数引起的误导通问题。该电路通过优化栅极驱动信号的稳定性和抗干扰能力，显著降低了误导通的风险，从而提升了系统的可靠性和性能。文献［18］ 和［19］开发了一种高精度的SiC MOSFETSPICE模型，并通过仿真和实验验证了其准确性，该模型充分考虑了SiC MOSFET的静态特性（如导通电阻、阈值电压）和动态特性（如开关过程中的电压、电流变化率），能够精确模拟器件在实际电路中的行为。文献［20］重点分析了寄生电阻和寄生电容对SiC MOSFET开关过程的影响。文献［21］~［25］研究了碳化硅在不同领域的应用。
本文主要研究SiC MOSFET的寄生参数对其开关特性的影响，为功率驱动电路的设计提供理论依据。首先对SiC MOSFET的结构组成及其动态特性进行深入研究，在此基础上对其开关过程进行分析，重点探讨寄生参数（如寄生电容、寄生电感等）对开关行为的影响，并推导SiC MOSFET开关过程的数学公式。其次设计并搭建SiC MOSFET双脉冲实验测试平台，通过实验获得不同栅极电阻和栅源极电容条件下的开关波形，验证理论分析和模型推导的准确性。最后搭建相同参数的双脉冲仿真测试模型，通过实验结果和仿真结果对比验证理论分析的准确性。
1、SiC MOSFET开关过程影响分析和建模
1.1、SiC MOSFET开通过程影响分析和建模
图1为SiC MOSFET寄生参数示意图 ，SiC MOSFET的寄生参数主要包括寄生电阻、寄生电感和寄生电容。寄生电阻包括源极电阻Rs、漏极电阻Rd、栅极外部驱动电阻Rg、栅极内部驱动电阻R；寄生电感包括栅极电感Lg、源极电感Ls和漏极电感Ld；寄生电容包括栅极和源极之间的电容CGS、栅极和漏极之间的电容CGD、漏极和源极之间的电容CDS、反并联二极管VD的结电容CJ。
以下对SiC MOSFET的开关过程进行分析。假设驱动电压为理想方波，且忽略寄生电容在开关过程中的非线性变化，同时假设寄生电感和寄生电容在开关过程中不会产生共振现象。在此理想条件下，SiC MOSFET开通和关断过程中的电流与电压波形如图2所示。
第一阶段（t0—t1）：t0时刻，栅极驱动电压发生阶跃变化到UG，该电压首先通过外部栅极驱动电阻Rg和内部栅极电阻R，随后对等效输入电容Ciss进行充电，导致栅源极电压UGS逐渐上升，直到t1时刻，栅源极电压达到SiC MOSFET开始导通的阈值电压UTH。在这一阶段，SiC MOSFET始终处于截止区，栅源极电压UGS的变化可以表示为
第二阶段（t1—t2）：当栅源极电压超过阈值电压后继续上升，SiC MOSFET从截止区进入饱和区并开始导通，漏源极电流IDS逐渐增加。此时，电流开始从反并联二极管VD向SiC MOSFET转移。由于二极管仍处于导通状态，母线电压UDC完全施加在SiC MOSFET上，驱动电流继续为等效输入电容充电。 随着漏源极电流的上升，源极电感Ls和漏极电感Ld的 存在会导致栅源极电压逐渐下降。当反并联二极管 的电流降至0A时，二极管的结电容效应会产生反向恢复电流，导致SiC MOSFET的IDS出现尖峰。这一 阶段的动态行为可以描述为
式中：gm为SiC MOSFET的跨导系数；Uplat为米勒平台电压，V。
第三阶段（t2—t3）：从t2时刻起，漏源极电压UDS开始下降，并在t3时刻降至SiC MOSFET的通态电压值Uon。在此期间，SiC MOSFET始终工作在饱和区，漏源极电流IDS已达到稳定状态。根据SiC MOSFET的 转移特性，当漏源极电流保持不变时，栅源极电压也保持恒定。因此，米勒效应将栅源极电压UGS钳位在米勒平台电压Uplat。由于栅源极电压UGS不再变化， 栅源极电容停止充电，驱动电流仅通过栅极电阻为米勒电容充电。这一过程可以描述为
因此，第三阶段的持续时间可表示为
式中：QGD为栅漏极电容的电荷，C。
第四阶段（t3—t4）：从t3时刻起，SiC MOSFET进 入线性工作区，驱动电流继续为栅源极电容CGS充电， 栅源极电压随之进一步上升。到t4时刻，栅源极电压达到最大值，SiC MOSFET重新进入截止区，标志着开通过程的完成。
1.2、SiC MOSFET关断过程影响分析和建模
理想的SiC MOSFET关断电流电压波形如图3所示。
第一阶段（t0—t1）：当栅极驱动电压突然降至0V时，等效输入电容Ciss通过栅极回路电阻开始放电，栅源极电压UGS随之逐渐下降。在此期间，漏源极电流IDS和漏源极电压UDS保持稳定不变。栅源极电压UGS的变化过程可以描述为
式中：R1为栅极回路等效电阻，Ω。
第二阶段（t1—t2）：当栅源极电压UGS降至米勒平台电压Uplat并保持稳定时，漏源极电压UDS开始逐渐 上升，直到t₂时刻达到直流母线电压UDC。在此期间， 栅极电流通过栅极回路的等效电阻为米勒电容放电。 这一阶段的持续时间可以描述为
第三阶段（t2—t3）：当漏源极电流IDS开始下降时， 反并联二极管VD导通，电流逐渐从SiC MOSFET向VD转移。漏源极电流的减小会在源极电感和漏极电 感上产生感应电压，导致漏源极电压UDS出现一个电压尖峰。与此同时，栅源极电压UGS开始下降，其变化过程可以描述为
第四阶段（t3—t4）：当漏源极电流IDS完成换流并开始下降后，栅源极电压UGS继续下降，直至0V。此 时，SiC MOSFET进入截止区，标志着关断过程的结束。
通过对SiC MOSFET开关过程的分析可以发现，栅极驱动电阻和寄生电容对开关速度具有重要影响。具体表现为，栅极驱动电阻和寄生电容的值越小，SiC MOSFET的开关速度越快。然而，开关过程中电流 和电压的快速变化可能导致电流和电压的最大超调量增大，振荡次数增加，从而对SiC MOSFET的性能产生显著的不利影响。 因此，在设计SiC MOSFET驱动电路时，需要在开关速度和系统稳定性之间进行权衡，合理选择寄生电容和栅极驱动电阻的值，以优化开关性能并避免潜在问题。
2、SiC MOSFET双脉冲仿真和实验
2.1、SiC MOSFET双脉冲实验测试
根据上节对SiC MOSFET的分析可知，在功率驱动电路设计中，必须综合考虑栅极驱动电阻和寄生电容对开关特性的影响。因此，需要通过实验对SiC MOSFET的开关动态特性进行测试和验证。
测试方法通常分为双脉冲和单脉冲两种，当SiC MOSFET处于关断状态且其反向并联二极管导通续流时，若此时重新开通SiC MOSFET，反向并联二极管将经历反向恢复过程，在单脉冲测试中，无法有效观察到反并联二极管的反向恢复过程。因此，通常采用双脉冲触发的控制时序来研究这一现象。
双脉冲测试的特点是驱动SiC MOSFET的信号由两个脉冲组成。其中，第一个脉冲的作用是使流过器件的电流达到所需的测量值，主要用于观察SiC MOSFET的关断波形。第二个脉冲的作用是观测SiC MOSFET的导通波形，两个脉冲的间隔时间一般取5~25μs。双脉冲测试的原理如图4所示。
测试电路主要包括被测SiC MOSFET、驱动电路、信号发生器、母线电容、示波器、母线电源和负载电感。信号发生器负责产生脉冲信号，驱动电路将PWM控制信号放大为SiC MOSFET驱动信号，示波器可以显示栅源极电压UGS、漏源极电压UDS、电感电流IL等重要的电流、电压信号。SiC MOSFET双脉冲测试的实验平台如图5所示。
实验中信号板电机控制器低压信号处理板卡、信号板主控芯片采用的是美国TI公司的TMS320F28335，可实现脉冲信号的控制，通过待测SiC MOSFET的驱动电压来设计驱动电路板。功率器件选择美国CREE公司的CAS120M12BM2。
直流母线电压设置为100V，栅极开启电压20V， 栅极关断电压为-5V，设置直流母线电容为60uf，负载电感为200μH，两次脉冲的间隔为10μs，用示波器观察栅源极电压UGS、漏源极电压UDS、负载电感电流IL的变化曲线，如图6所示。
一旦功率器件的型号确定，其内部的电阻、电感和电容等寄生参数便固定不变，在功率驱动电路设计中，可以通过调整栅源极电容和外部栅极驱动电阻的值，来改变SiC MOSFET导通和关断的时间，以及开关过程中漏源极电压的振荡特性。因此，本文主要研究栅源极电容和栅极驱动电阻对开关过程的影响。
首先研究栅极驱动电阻对SiC MOSFET导通和关断的影响。将栅源极电容固定为15nf，在被测SiC MOSFET栅极驱动电路中分别串联5.1、10、18Ω的电 阻，通过观察不同栅极驱动电阻下SiC MOSFET的开通波形（图7）和关断波形（图8），可以分析栅极驱动电阻对开关特性的影响。
从图7和图8可以看出，栅极驱动电阻对SiC MOSFET开关过程的每个阶段都有显著影响。随着栅极驱动电阻的增大，SiC MOSFET的米勒平台持续时间延长，开通和关断速度变慢，开关损耗逐渐增加。 然而，电压和电流的超调量减小，开关过程中其振荡也得到抑制。这一结果与之前对理想开关过程的推导一致，表明栅极驱动电阻是影响SiC MOSFET性能的关键参数。
其次，研究栅源极电容对SiC MOSFET导通和关断的影响。将栅极驱动电阻固定为10Ω，在被测SiC MOSFET栅极驱动电路的源极和栅极之间分别并联15、22、30nf的电容，通过观察不同栅源极电容下SiC MOSFET的开通波形（图9）和关断波形（图10），可以分析栅源极电容对开关特性的影响。
当栅极驱动电压发生阶跃变化时，栅极寄生电感Lg会与栅源极电容CGS相互作用，导致栅源极电压UGS和漏源极电流IDS产生振荡，从而降低栅源极电压UGS的变化速率。从图9可以看出，栅源极电容CGS主要影响米勒平台及其后的开通时间，即对理想开通过程的第一、第三和第四阶段有显著影响，而对米勒平台本身没有影响，这是因为根据式（7），米勒平台的持续时间仅由栅极驱动电阻Rg和米勒电容CGD决定。 随着栅源极电容值的增大，SiC MOSFET的开通速度减缓，同时栅源极电压UGS和漏源极电压UDS的振荡幅度减小。从图10可以看出，随着栅源极电容值的增加，SiC MOSFET的开通速度明显减慢。然而栅源极电容CGS对关断过程的影响远小于对开通过程的影响。根据之前对理想开关过程的推导，漏源极电容CGD对关断过程的影响更为显著。
2.2、SiC MOSFET双脉冲仿真分析
双脉冲实验是检测功率器件性能常用的方法，但频繁的双脉冲实验显然是费时的，因此搭建一种准确的SiC MOSFET模型可以极大地提高工作效率。国内外学者对于SiC MOSFET建模方法进行了大量的研究，但大多数模型没有考虑电路的寄生参数，导致无法对SiC MOSFET做动态分析。
因此，本文采用Saber电路仿真软件自带的ModelArchitect工具中的PowerMOSFETTool对SiC MOSFET进行建模，根据SiC MOSFET的数据手册输入寄生电容等参数并手动拟合，保证SiC MOSFET的输入输出曲线、转移特性曲线与数据手册曲线完全一致。 分别拟合反并联二极管的电容特性、输出特性和反向恢复特性曲线，建立反并联二极管模型，然后在Saber中搭建双脉冲测试模型，栅极驱动电感设置为5nH，漏极电感和源极电感分别取6nH和7nH，其余的设置和双脉冲实验的参数完全一致，基于Saber软件搭建的SiC MOSFET双脉冲仿真模型如图11所示。
设置仿真步长0.001μs，得到如图12~15所示的仿真曲线。
将双脉冲模型仿真结果和双脉冲实验结果进行对比，主要对比参数是SiC MOSFET的开通关断时间以及开关过程中漏源极电压、漏源极电流的最大超调 量，在栅极电阻取10Ω，栅源极电容取30nf的条件下， 对比仿真和实验的结果如表1所示。
由双脉冲实验结果和双脉冲模型仿真结果进行对比可知，栅极电阻和栅源极电容对SiC MOSFET的开通和关断过程具有相似的影响，在取相同的栅极电阻和栅源极电容数值时，SiC MOSFET开通和关断的时间几乎相同，但是仿真时漏源极电压在开通的时候最大超调量和双脉冲实验室不完全一致，这是因为仿真时寄生电感参数的设置上与实验不符。
3、结束语
与同规格的IGBT相比，SiC MOSFET具备更高的开关频率、更低的开关损耗以及更高的耐压能力。然而在实际应用中，驱动电路的设计会显著影响SiC MOSFET的性能表现，因此驱动电路需要根据功率器件的特性进行针对性设计。本文在对SiC MOSFET开关特性分析过程中产生的成果如下：
（1）、通过对SiC MOSFET的结构特性及其动态行为进行研究，深入探讨了其开关过程，并着重分析了寄生电容对开关行为的影响 ，构建了描述SiC MOSFET开关过程的数学模型；
（2）、搭建了SiC MOSFET双脉冲实验测试平台， 通过对比SiC MOSFET在不同栅极电阻和栅源极电容开通和关断时的电压电流波形，验证了理论分析的正确性；
（3）、基于Saber软件搭建相同参数的双脉冲仿真测试模型，通过对比实验结果和仿真结果，进一步验证了理论分析的准确性，同时也验证了所搭建的仿真模型的准确性和仿真精度。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
