CN112710940A - 一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法，包括以下步骤：栅极驱动器输出的高电平电压V_gg、下桥臂SiC MOSFET的漏极外接引线端子G与母线电源的负极性端子S’之间的电压u_GS’、外加驱动电阻R_{g_de}、栅极驱动器内部驱动电阻R_{g_dr}、下桥臂SiC MOSFET的栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg’、SiC MOSFET漏源极电容两端的电压u_DS及SiC MOSFET漏栅极电容两端的电压u_DG，得SiC MOSFET的反向转移电容C_dg，该方法能够较为准确测量SiC MOSFET的反向转移电容，且测量较为简单。

Description

一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法

技术领域

本发明涉及一种反向转移电容测量方法，具体涉及一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法。

背景技术

SiC MOSFET作为一种宽禁带功率器件，与传统Si基器件相比，具有优良的热特性和电气特性，广泛应用于900-1700V功率电子装置中。SiC MOSFET功率器件高速的开关频率使得电力电子系统小型化、轻量化成为可能。

反向转移电容C_gd分布在SiC MOSFET漏极和栅极之间。SiC MOSFET对寄生电容敏感，在换流过程中会产生很大的断态电压临界上升率du/dt和通态电流上升率di/dt，易导致器件误导通甚至损坏。此外，反向转移电容C_gd在器件开关过程中会产生米勒效应，使得等效输入电容增大，形成米勒平台，增大了开关损耗。因此，在电力电子器件行为模型建立和功率装置设计时，工业界迫切需要一种廉价、精确、易操作的方法实现SiC MOSFET反向转移电容C_gd的测量。

现有测量SiC MOSFET反向转移电容C_gd的方法主要借助于仪器设备，如功率器件分析仪，阻抗分析仪，曲线追踪仪等。现有测量方法的缺陷主要有1)SiC MOSFET数据手册上的反向转移电容C_gd随漏源极电压v_ds变化关系曲线是在外加特定频率的信号下测得的，电容值会随外加信号频率的变化而变化，且这种施加特定高频信号的方法比较复杂。2)现有电容测量实验设备只能测得SiC MOSFET关断状态时的电容值，SiC MOSFET开关过程中的电容值无法测量。3)现有电容测量仪器测量原理本质上属于小信号分析法，这种小信号分析方法输出响应滞后激励，并且在漏源极电压比较小时无法准确测得。4)现有测量反向转移电容C_gd的方法没有考虑PCB布线引起的杂散电容的影响，测量的准确性和精度有待提高。5)测量仪器价格昂贵，且测量高压SiC MOSFET反向转移电容C_gd尤为困难。6)传统结电容测量方法在测量过程中忽略驱动回路寄生电感对反向转移电容C_gd测量结果的影响。因此现有方法存在测量不准确、测量复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法，该方法能够较为准确测量SiC MOSFET的反向转移电容，且测量较为简单。

为达到上述目的，本发明所述的SiC MOSFET反向转移电容测量方法，基于SiCMOSFET反向转移电容测量电路，所述SiC MOSFET反向转移电容测量电路包括上桥臂SiCMOSFET、下桥臂SiC MOSFET、负载电感、栅极驱动器、外加驱动电阻及母线电源；

上桥臂SiC MOSFET的栅极与源极相连接，上桥臂SiC MOSFET的漏极与母线电源的正极性端子相连，上桥臂SiC MOSFET的源极与下桥臂SiC MOSFET的漏极相连，下桥臂SiCMOSFET的源极与母线电源V_dd的负极性端子S’相连，下桥臂SiC MOSFET的栅极与外加驱动电阻的一端相连，外加驱动电阻的另一端与栅极驱动器相连。

负载电感的一端与下桥臂SiC MOSFET Q₂的漏极相连，负载电感的另一端与母线电源的正极性端子相连，母线电源的负极性端子S’与栅极驱动器的接地端子相连；

包括以下步骤：

栅极驱动器输出的高电平电压V_gg、下桥臂SiC MOSFET的漏极外接引线端子G与母线电源的负极性端子S’之间的电压u_GS'、外加驱动电阻R_{g_de}、栅极驱动器内部驱动电阻R_{g_dr}、下桥臂SiC MOSFET的栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg'、SiC MOSFET漏源极电容两端的电压u_DS及SiC MOSFET漏栅极电容两端的电压u_DG，得SiC MOSFET的反向转移电容C_dg为：

其中，t为时间。

栅极驱动器输出的高电平电压V_gg为：

其中，R_{g_dr}为栅极驱动器内部的驱动电阻，R_{g_de}为外加驱动电阻，i_g为栅极驱动器的输出电流，u_GS'为G端子和母线电源的负极性端子S’之间的电压，L_g为下桥臂SiC MOSFET中栅极的杂散电感。

下桥臂SiC MOSFET栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg'两端的电压及电流满足：

其中，u_DG为杂散电容C_dg'两端的电压，i₁为流过杂散电容C_dg'的电流；

在端子G及端子g处的KCL方程分别为：

i_g+i₁+i₂＝0 (3)

i_gs-i_dg+i₂＝0 (4)

其中，i₂为流过下桥臂SiC MOSFET内部驱动电阻R_{g_in}的电流，i_gs及i_dg分别为流过电容C_gs及流过电容C_dg的电流；

流过电容C_ds、C_gs及C_dg两端的电压u_DS、u_gs、u_dg满足：

u_dg＝u_DS-u_gs (5)

在下桥臂SiC MOSFET开通过程中米勒平台期间u_gs保持不变，流过电容C_gs的电流i_gs为：

将式(6)带入式(4)得：

i_dg＝i₂ (7)

将式(2)及式(7)带入式(3)得：

在下桥臂SiC MOSFET开通过程中米勒平台期间i_g保持不变，因此驱动回路电感L_g两端的电压

为：

将式(9)带入式(1)得：

反向转移电容C_dg两端的电压及电流满足：

将式(8)、式(10)带入式(11)，得反向转移电容C_dg为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的SiC MOSFET反向转移电容测量方法在具体操作时，考虑PCB布线引起的栅漏极杂散电容的影响，以提高测量的准确性，同时解决了传统测量设备只能在SiCMOSFET关断状态下测量的缺点，能够测量开关过程中的反向转移电容值，另外，本发明属于大信号测量范畴，克服了小信号测量法输出响应相对于激励滞后的缺点，能够广泛应用于高压场合。另外，在测量过程中考虑了驱动回路寄生电感对反向转移电容C_gd测量结果的影响，测量结果更为准确。

附图说明

图1为SiC MOSFET反向转移电容测量电路的拓扑结构图；

图2为本发明中主功率器件SiC MOSFET Q₂开通过程中的电学量时序波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，SiC MOSFET反向转移电容测量电路拓扑包括上桥臂SiC MOSFETQ₁、下桥臂SiC MOSFET Q₂、负载电感L_load、栅极驱动器、外加驱动电阻R_{g_de}及母线电源V_dd，其中，上桥臂SiC MOSFET Q₁的栅极与源极相连接，上桥臂SiC MOSFET Q₁的漏极与母线电源V_dd的正极性端子相连，上桥臂SiC MOSFET Q₁的源极与下桥臂SiC MOSFET Q₂的漏极相连，下桥臂SiC MOSFET Q₂的源极与母线电源V_dd的负极性端子S’相连，下桥臂SiC MOSFET Q₂的栅极与外加驱动电阻R_{g_de}的一端相连，外加驱动电阻R_{g_de}的另一端与栅极驱动器相连。

负载电感L_load的一端与下桥臂SiC MOSFET Q₂的漏极相连，负载电感L_load的另一端与母线电源V_dd的正极性端子相连，母线电源V_dd的负极性端子S’与栅极驱动器的接地端子相连。

本发明所述的SiC MOSFET反向转移电容测量方法包括以下步骤：

设R_{g_dr}为栅极驱动器的内部驱动电阻，R_{g_in}为下桥臂SiC MOSFET Q₂的内部驱动电阻，C_gd为下桥臂SiC MOSFET Q₂的反向转移电容，C_gs为下桥臂SiC MOSFET Q₂的栅源极电容，C_ds为下桥臂SiC MOSFET Q₂漏源极的结电容，C_dg'为下桥臂SiC MOSFET Q₂的栅漏极PCB布线产生的杂散电容，L_d、L_g及L_s分别为下桥臂SiC MOSFET Q₂的漏极杂散电感、栅极杂散电感及源极杂散电感，D、G、S分别为下桥臂SiC MOSFET Q₂的漏极外接引线端子、栅极外接引线端子及源极外接引线端子，d、g及s分别为下桥臂SiC MOSFET Q₂芯片内部的漏极端子、栅极端子及源极端子。

当栅极驱动器触发高电平下桥臂SiC MOSFET Q₂开通时，在驱动回路的KVL方程为：

其中，V_gg为栅极驱动器输出的高电平电压，R_{g_dr}为栅极驱动器内部的驱动电阻，R_{g_de}为外加驱动电阻，i_g为栅极驱动器的输出电流，u_GS'为G端子和母线电源V_dd的负极性端子S’之间的电压，L_g为下桥臂SiC MOSFET Q₂中栅极的杂散电感。

下桥臂SiC MOSFET Q₂栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg'两端的电压及电流满足：

其中，u_DG为杂散电容C_dg'两端的电压，i₁为流过杂散电容C_dg'的电流。

在端子G及端子g处的KCL方程分别为：

i_g+i₁+i₂＝0 (3)

i_gs-i_dg+i₂＝0 (4)

其中，i₂为流过下桥臂SiC MOSFET Q₂内部驱动电阻R_{g_in}的电流，i_gs及i_dg分别为流过电容C_gs及流过电容C_dg的电流。

流过电容C_ds、C_gs及C_dg两端的电压u_DS、u_gs、u_dg满足：

u_dg＝u_DS-u_gs (5)

在下桥臂SiC MOSFET Q₂开通过程中米勒平台期间u_gs保持不变，流过电容C_gs的电流i_gs为：

将式(6)带入式(4)得：

i_dg＝i₂ (7)

将式(2)及式(7)带入式(3)得：

在下桥臂SiC MOSFET Q₂开通过程米勒平台期间i_g保持不变，因此驱动回路电感L_g两端的电压

为：

将式(9)带入式(1)得：

反向转移电容C_dg两端的电压及电流满足：

将式(8)、式(10)带入式(11)，得反向转移电容C_dg为：

Claims (3)

1.一种SiC MOSFET反向转移电容测量方法，其特征在于，基于SiC MOSFET反向转移电容测量电路，所述SiC MOSFET反向转移电容测量电路包括上桥臂SiC MOSFET(Q₁)、下桥臂SiC MOSFET(Q₂)、负载电感(L_load)、栅极驱动器、外加驱动电阻(R_{g_de})及母线电源(V_dd)；

上桥臂SiC MOSFET(Q₁)的栅极与源极相连接，上桥臂SiC MOSFET(Q₁)的漏极与母线电源(V_dd)的正极性端子相连，上桥臂SiC MOSFET(Q₁)的源极与下桥臂SiC MOSFET(Q₂)的漏极相连，下桥臂SiC MOSFET(Q₂)的源极与母线电源(V_dd)的负极性端子S’相连，下桥臂SiCMOSFET(Q₂)的栅极与外加驱动电阻(R_{g_de})的一端相连，外加驱动电阻(R_{g_de})的另一端与栅极驱动器相连；

负载电感(L_load)的一端与下桥臂SiC MOSFET(Q₂)的漏极相连，负载电感(L_load)的另一端与母线电源(V_dd)的正极性端子相连，母线电源(V_dd)的负极性端子S’与栅极驱动器的接地端子相连；

包括以下步骤：

栅极驱动器输出的高电平电压V_gg、下桥臂SiC MOSFET(Q₂)的漏极外接引线端子G与母线电源(V_dd)的负极性端子S’之间的电压u_GS'、外加驱动电阻(R_{g_de})、栅极驱动器内部驱动电阻R_{g_dr}、下桥臂SiC MOSFET(Q₂)的栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg'、SiC MOSFET(Q₂)漏源极电容两端的电压u_DS及SiC MOSFET(Q₂)漏栅极电容两端的电压u_DG，在米勒平台期间，得SiCMOSFET(Q₂)的反向转移电容C_dg为：

其中，t为时间。

2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET反向转移电容测量方法，其特征在于，栅极驱动器输出的高电平电压V_gg为：

其中，R_{g_dr}为栅极驱动器内部的驱动电阻，R_{g_de}为外加驱动电阻，i_g为栅极驱动器的输出电流，u_GS'为G端子和母线电源V_dd的负极性端子S’之间的电压，L_g为下桥臂SiC MOSFET(Q₂)中栅极的杂散电感。

3.根据权利要求1所述的SiC MOSFET反向转移电容测量方法，其特征在于，下桥臂SiCMOSFET(Q₂)栅漏极PCB布线产生的杂散电容C_dg'两端的电压及电流满足：

其中，u_DG为杂散电容C_dg'两端的电压，i₁为流过杂散电容C_dg'的电流；

在端子G及端子g处的KCL方程分别为：

i_g+i₁+i₂＝0 (3)

i_gs-i_dg+i₂＝0 (4)

其中，i₂为流过下桥臂SiC MOSFET(Q₂)内部驱动电阻R_{g_in}的电流，i_gs及i_dg分别为流过电容C_gs及流过电容C_dg的电流；

流过电容C_ds、C_gs及C_dg两端的电压u_DS、u_gs、u_dg满足：

u_dg＝u_DS-u_gs (5)

在下桥臂SiC MOSFET(Q₂)开通过程中米勒平台期间u_gs保持不变，流过电容C_gs的电流i_gs为：

将式(6)带入式(4)得：

i_dg＝i₂ (7)

将式(2)及式(7)带入式(3)得：

在下桥臂SiC MOSFET(Q₂)开通过程米勒平台期间i_g保持不变，因此驱动回路电感L_g两端的电压

为：

将式(9)带入式(1)得：

反向转移电容C_dg两端的电压及电流满足：

将式(8)、式(10)带入式(11)，得反向转移电容C_dg为：

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