基于有限状态机(FSM)的SiC MOSFET开关瞬态建模
在航空、舰载系统和电动汽车领域已经观察到，[1][2][3] 可用的最佳解决方案之一是碳化硅 (sic) mosfet，因为它具有高频 hf 和高-其转换器的密度。与硅基 igbt 相比，碳化硅 mosfet 提供更快的开关和更低的功率损耗。该因素使其能够以更高级别的开关频率运行，估计为数百千赫兹。这最终将提高功率转换器的电荷密度和效率 [4] [5]。
与物理建模和香料建模 [6] [7] 相比，分析建模具有在准确性和简单性之间有效权衡的趋势。
大量模型，例如开关瞬态、寄生参数的影响、开关损耗、开关振荡和高频 (hf) 电磁干扰 (emi) 噪声，[8][9][10][11][12][ 13] 分别已经给出，但它们都不能应用于开关损耗。
本文将详细阐述基于有限状态机 (fsm) 的分析建模，专门用于评估 hf emi 噪声和开关损耗方面的开关特性。请访问本文以获取完整信息。
开关瞬态分析建模
图 1 显示了处于开关瞬态阶段的 sic mosfet 建模过程，该过程基于电感钳位电路，该电路具有很少的关键寄生参数 cgs、cds 和 cgd。由于寄生参数对 sic mosfet 的特性有很大影响，因此在建模时应给予重要考虑。
图 1：电感钳位电路的拓扑结构
开启状态的表征
开启瞬态还有 4 个子阶段。这四个子阶段显示了电感钳位电路 [14] 中栅极和功率栅极回路之间的关系。这些子阶段被命名为
子阶段 s11（开启延迟）
子级 s12（电流换向）
子级 s13（电压换向）
子阶段 s14（开启振铃）
关断状态的表征
正如在 turn-on 中一样，turn-off 状态的表征也包括 4 个子阶段。在这里可以正确地说，子级 s11（接通延迟）、子级 s12（电流换向）和子级 s13（电压换向）在接通状态下使用的机制是相似的用于后续步骤，例如 s21（关断延迟）、s22（电压换向）和 s23（电流换向）。唯一的变化是在称为 s24 的关闭振铃阶段 [14]。
结电容和跨导建模
cv 特性曲线说明了基于 si 的器件和结电容的 sic mosfet 非线性。cv 特性的曲线拟合具有解释这些电容建模的能力。图 2 显示了拟合和测量的 cv 特性曲线之间的比较，而图 3 显示了拟合和测量的 iv 特性曲线之间的比较，这允许表征跨导。
图 2：拟合和测量的 cv 特性
图 3：拟合和测量的 iv 特性
使用 fsm 对开关状态进行建模
fsm 的采用说明了开关瞬态过程中子级的相互作用。图 4 显示了 fsm 的流程图。表 1 和表 2 分别显示了 fsm 在导通和关断瞬态期间的重要特性。
表 1：fsm 在开启状态下的特性
表 2：fsm 在关闭状态下的特性
图 4：fsm 流程图
模拟与实验
模拟环境
输出端子（vds、vak 和 id）以及半桥块中的 fsm 已与提供电压/电流的源连接，这是实现信号接口和电接口之间转换所必需的 [14]。表 3 显示了寄生参数的值。
表 3：寄生参数值
实验设置
图 5 显示了实验的设置。在这个实验中，来自 wolfspeed 的 c3m0120090d 和 cvfd20065a 被选为 sic mosfet 和 sic sbd [14]。双脉冲信号已用于控制由 dspc 产生的栅极驱动 [14]。lecroy wave-runner 8404-m 用于获取开关波形。电压探头 ppe2kv（2 kv，400 mhz）用于测量漏源电压，而漏电流则借助与电流探头 tcp312a（30 a）相结合的按比例缩小的电流互感器 (ct) 测量, 100 mhz) [14]。
图 5：实验设置
结果与分析
本实验使用的条件是 vdc=600 /400 v，il=15 a，rg (ex) 从 10 到 47 ω [14]。vds 的计算涉及它们上的电压降，作为 mosfet 引线电感（ld 和 ls）的实际测量值。从仿真结果可以清楚地表明，该分析模型可用于评估 sic mosfet 的开关特性。结果还表明，可以降低高频 emi，但代价是开关损耗 [14]。
结论
本文阐述了基于 fsm 的分析建模，用于评估 sic mosfet 的瞬态响应速度、开关损耗和 hf emi 噪声方面的开关特性。fsm 用于对开关瞬态进行解析建模，它负责过渡阶段每个子阶段的表征和分析以及 cv 和 iv 特性的建模。基于模拟和实验的比较，得出了不同的方面。可以得出结论，这里实验的模型具有综合评估开关特性的能力，有望为具有高频hf和sic mosfet高密度设计的功率转换器提供更多指导。
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图 1 显示了处于开关瞬态阶段的 sic mosfet 建模过程，该过程基于电感钳位电路，该电路具有很少的关键寄生参数 cgs、cds 和 cgd。由于寄生参数对 sic mosfet 的特性有很大影响，因此在建模时应给予重要考虑。
图 1：电感钳位电路的拓扑结构
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子阶段 s11（开启延迟）
子级 s12（电流换向）
子级 s13（电压换向）
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图 2：拟合和测量的 cv 特性
图 3：拟合和测量的 iv 特性
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fsm 的采用说明了开关瞬态过程中子级的相互作用。图 4 显示了 fsm 的流程图。表 1 和表 2 分别显示了 fsm 在导通和关断瞬态期间的重要特性。
表 1：fsm 在开启状态下的特性
表 2：fsm 在关闭状态下的特性
图 4：fsm 流程图
模拟与实验
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输出端子（vds、vak 和 id）以及半桥块中的 fsm 已与提供电压/电流的源连接，这是实现信号接口和电接口之间转换所必需的 [14]。表 3 显示了寄生参数的值。
表 3：寄生参数值
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