【導(dǎo)讀】本文探討了影響高速SiC MOSFET開(kāi)關(guān)特性的關(guān)鍵因素,包括器件特性、工作條件和外部電路;解釋了開(kāi)關(guān)損耗的主要影響因素,并確定了影響器件行為和使用的重要因素,這些因素可以顯著提升SiC MOSFET在功率電路中的開(kāi)關(guān)性能。
1 引言
碳化硅(SiC)MOSFET支持功率電子電路以超快的開(kāi)關(guān)速度和遠(yuǎn)超100V/ns和10A/ns的電壓和電流擺率下工作。SiC MOSFET還具有非常出色的導(dǎo)通特性和高溫特性。與傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體相比,SiC MOSFET具有非常低的器件工作損耗,可以實(shí)現(xiàn)高度緊湊且高效的功率轉(zhuǎn)換器解決方案[1]。
SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)性能不僅取決于器件本身的特性,在很大程度上還取決于器件的外部電路和工作條件。
SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)行為是十分復(fù)雜的話題。數(shù)據(jù)手冊(cè)中所提供的數(shù)值,往往只能表示器件在非常具體的測(cè)試環(huán)境中、在若干特定條件下的性能。而在實(shí)際的電源電路條件下,器件的真實(shí)性能取決于很多因素。
圖1:SiC MOSFET半橋電路簡(jiǎn)圖。
優(yōu)化電源電路的設(shè)計(jì)和工作條件,可以顯著提高SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)性能。
本文將使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),重點(diǎn)介紹SiC MOSFET開(kāi)關(guān)行為的許多重要方面。本文將重點(diǎn)討論,在標(biāo)準(zhǔn)的半橋電路等硬開(kāi)關(guān)工作條件下的快速開(kāi)關(guān)分立式CoolSiC? MOSFET(見(jiàn)圖1)。
2 開(kāi)關(guān)行為和損耗
開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗是導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體器件焦耳熱的兩大因素。盡管SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗主要取決于器件本身的特性和工作條件(例如,柵極電壓、負(fù)載電流和器件溫度),但開(kāi)關(guān)損耗有著更加明顯也更加復(fù)雜的特性。
影響器件總開(kāi)關(guān)損耗主要有三個(gè)因素:開(kāi)通能量EON、關(guān)斷能量Eoff和反向恢復(fù)能量Erec。其占比通常取決于器件的特性、操作條件和外部電路。除此之外,在開(kāi)關(guān)過(guò)程中,還可能會(huì)出現(xiàn)其它的損耗,例如由寄生導(dǎo)通引起的損耗[2]。
影響開(kāi)關(guān)損耗的器件特性包括芯片技術(shù)、芯片尺寸、封裝類型和內(nèi)部柵極電阻(Rint)。對(duì)開(kāi)關(guān)損耗影響最大的工作條件為:芯片結(jié)溫、直流母線電壓、柵極電壓和負(fù)載電流。我們將首先探討它們之間的關(guān)系及其對(duì)開(kāi)關(guān)行為的影響,然后,在下一節(jié)探討封裝和外部電路的影響。
2.1 MOSFET關(guān)斷
在關(guān)斷過(guò)程中,MOSFET輸出電容被充電,于是阻斷了整個(gè)直流母線電壓,隨后,續(xù)流器件的體二極管接管負(fù)載電流。MOSFET的關(guān)斷特性對(duì)溫度的依賴性非常微弱,但由于半導(dǎo)體具有非線性C-V特性,因此,其關(guān)斷特性對(duì)工作電壓依賴性比較明顯。
在開(kāi)關(guān)速度和負(fù)載電流方面,有一些重要的方面需要考慮。在中低電流時(shí),關(guān)斷特性主要受負(fù)載電流影響,柵極電阻的影響不大。這是因?yàn)樵诿桌针A段,當(dāng)器件的輸出電容Coss被低恒定電流充電時(shí),較低的Rg,ext并不能加快充電速度。這就解釋了為何在低Rg,ext值時(shí),低電流的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)相對(duì)較慢。
圖2:T=25°C時(shí),不同電流和柵極電阻的關(guān)斷波形對(duì)比。
圖3:T=25°C時(shí),在不同電流和柵極電阻下,測(cè)得的關(guān)斷能量的對(duì)比。
圖2和圖3突出顯示了這種效應(yīng),圖中顯示了一個(gè)采用TO247-4封裝的1200V、20mΩ CoolSiC? SiC MOSFET的關(guān)斷行為。在圖2中,vds和id的開(kāi)關(guān)波形在5A負(fù)載電流下幾乎相同(雖然柵極電阻存在差異);但在50A的高電流下,情況就不一樣了。
圖3顯示了,在低電流下,關(guān)斷能量Eoff在很大的柵極電阻范圍內(nèi)保持恒定。其最小能量取決于為輸出電容充電所需的能量Eoss。它可能是硬開(kāi)關(guān)電路中最低的Eoff。Eoff的Eoss部分存儲(chǔ)在Coss中,并在器件再次導(dǎo)通時(shí),以熱量的形式耗散。雖然,嚴(yán)格意義上來(lái)講,這種耗散是在導(dǎo)通時(shí)發(fā)生的,但它被視為關(guān)斷損耗。在較高的電流和/或較慢的開(kāi)關(guān)中,來(lái)自換流過(guò)程的額外能量貢獻(xiàn)也被包含在Eoff中(不含Eoss)。這些是在實(shí)際的關(guān)斷過(guò)程中耗散的。
圖4:不同電流和溫度下的導(dǎo)通波形對(duì)比(均為Rg,ext =2.2Ω)。
圖5:T=25°C時(shí),在不同電流和柵極電阻下,測(cè)得的導(dǎo)通能量的對(duì)比。
2.2 體二極管關(guān)斷
體二極管的關(guān)斷過(guò)程,也稱反向恢復(fù),是SiC MOSFET開(kāi)關(guān)行為的一個(gè)重要組成部分。
二極管反向恢復(fù),描述了從器件的漂移區(qū)去除存儲(chǔ)的雙極等離子體電荷的過(guò)程。SiC MOSFET的體二極管具有獨(dú)一無(wú)二的特性,這使得它的反向恢復(fù)行為與IGBT電路中的硅二極管大不相同。SiC MOSFET體二極管中存儲(chǔ)的雙極電荷,顯示出對(duì)溫度和電流的明顯依賴。
在低電流或低溫下,雙極電荷非常小。從開(kāi)關(guān)的角度來(lái)看,體二極管在這些條件下的行為,與單極肖特基二極管相似。
然而,隨著溫度的上升和電流的增加,體二極管存儲(chǔ)的雙極電荷越來(lái)越多,并表現(xiàn)出更多的雙極開(kāi)關(guān)特性。
體二極管的反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,從而導(dǎo)致半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生焦耳熱。這需要在計(jì)算器件的整體損耗時(shí),加以考慮。除此之外,二極管反向恢復(fù)會(huì)嚴(yán)重影響MOSFET的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換,包括MOSFET導(dǎo)通損耗(見(jiàn)3.2)。
2.3 MOSFET開(kāi)通
開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程不僅取決于主動(dòng)導(dǎo)通的MOSFET的器件特性,而且還在很大程度上,取決于其被動(dòng)續(xù)流器件。瞬態(tài)波形和開(kāi)關(guān)能量各不相同,具體取決于續(xù)流器件是肖特基二極管還是其他SiC MOSFET。如果是MOSFET,續(xù)流器件輸出電容的充電過(guò)程及其體二極管反向恢復(fù)發(fā)揮著重要作用。
在關(guān)斷期間,Coss由恒定的負(fù)載電流充電;在開(kāi)通期間,Coss由恒定的電壓源(即直流鏈路電容器)充電。當(dāng)MOSFET快速開(kāi)關(guān)時(shí),哪怕是非常小的負(fù)載電流,上述這種差異也會(huì)導(dǎo)致典型的反向電流浪涌(見(jiàn)圖4)。開(kāi)通過(guò)程的速度完全由有源開(kāi)關(guān)MOSFET控制。由于開(kāi)關(guān)速度受電流、電壓、溫度和柵極電阻的影響,因此,開(kāi)通能量對(duì)這些參數(shù)表現(xiàn)出了明顯的依賴性(見(jiàn)圖5和圖6)。
與關(guān)斷期間不同,開(kāi)通期間的開(kāi)關(guān)能量受溫度影響很大。雖然MOSFET的I-V特性確實(shí)有一定的溫度依賴性,會(huì)影響開(kāi)關(guān)能量,但總體影響很小。對(duì)開(kāi)通溫度依賴性的主要貢獻(xiàn),要數(shù)體二極管的反向恢復(fù),以及在開(kāi)通期間,存儲(chǔ)在二極管中的雙極電荷量。
圖7突出顯示了,溫度對(duì)有源開(kāi)關(guān)SiC MOSFET導(dǎo)通行為的影響。在實(shí)驗(yàn)中,將主動(dòng)和被動(dòng)(低邊和高邊)器件安裝在不同的加熱板上,分別控制其溫度。圖7表明,無(wú)源器件(體二極管)的溫度對(duì)有源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)行為有很大影響,而有源開(kāi)關(guān)的溫度影響很小。原因在于反向恢復(fù)期間的電荷流動(dòng),這會(huì)影響體二極管和有源開(kāi)關(guān)MOSFET。
電路設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓,來(lái)減輕雙極電荷的影響,并降低開(kāi)關(guān)損耗[3]。另外,縮短死區(qū)時(shí)間也能提升性能(見(jiàn)3.2)。
圖6:在不同的直流母線電壓下,T=25°C時(shí),快速導(dǎo)通和關(guān)斷能量的對(duì)比。
圖7:在不同溫度下,有源和無(wú)源開(kāi)關(guān)的快速導(dǎo)通。
3 外部電路的影響
在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中,外部電路對(duì)器件的性能有著巨大的影響。許多論文都討論了功率半導(dǎo)體的外部影響[4]-[6],卻往往低估了外部電路對(duì)快速開(kāi)關(guān)SiC MOSFET性能的影響。其主要影響包括但不限于,外部柵極電阻(Rg,ext)、換向回路雜散電感Lσ、柵極阻抗、柵極驅(qū)動(dòng)器擺率和死區(qū)時(shí)間[3]、[7]。
3.1 換流回路雜散電感
通過(guò)降低Rg,ext來(lái)加快開(kāi)關(guān)速度,可以降低開(kāi)關(guān)損耗。但在實(shí)踐中,Rg,ext的最低值是受限的。對(duì)于半導(dǎo)體,此下限由其器件的最大額定值規(guī)定。與電路中的寄生雜散電感一起,快速瞬變會(huì)導(dǎo)致高過(guò)沖電壓超過(guò)器件的允許額定值。因此,應(yīng)當(dāng)將Rg,ext設(shè)定在這些額定值的范圍內(nèi)[8]。
在電源電路中的寄生元素中,換向回路雜散電感Lσ對(duì)器件的電壓過(guò)沖的影響,可以說(shuō)是最大的。這種雜散電感包括,主換流回路內(nèi)所有部分電感(封裝和外部電路)。
對(duì)于SiC MOSFET,在最大工作溫度和電流下,體二極管關(guān)斷期間,器件電壓通常是設(shè)計(jì)電源電路的最關(guān)鍵的條件。在此期間,大量的雙極電荷存儲(chǔ)在體二極管中,關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。制約電流變化的大雜散電感,會(huì)導(dǎo)致體二極管的dv/dt很高,以及導(dǎo)致電場(chǎng)迅速掃除漂移區(qū)中的自由載流子。如果在器件電流自然降低到零之前,發(fā)生這種情況,那么,剩余的器件電流可能會(huì)在高di/dt下瞬變,并導(dǎo)致器件出現(xiàn)不希望的過(guò)沖電壓。
如圖8a所示,當(dāng)SiC MOSFET在具有高雜散電感的電源電路中,以非常快的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行時(shí),可能會(huì)發(fā)生這種跳變(snap-off)效應(yīng)。除了高損耗和過(guò)沖電壓外,高雜散電感還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中其他元件的電磁干擾問(wèn)題。MOSFET關(guān)斷時(shí)的過(guò)沖電壓,通常并不那么重要(對(duì)比圖8b)。
因此,精心設(shè)計(jì)的低電感電源電路是實(shí)現(xiàn)干凈、快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)和低開(kāi)關(guān)能量的關(guān)鍵。
(a)體二極管關(guān)斷
(b)MOSFET關(guān)斷
圖8:T=150°C時(shí),不同換向回路雜散電感Lσ的快速關(guān)斷行為比較。
3.2 死區(qū)時(shí)間
在圖1所示的典型半橋或全橋配置中,SiC MOSFET的體二極管僅在死區(qū)時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電流。體二極管只能在死區(qū)時(shí)間內(nèi),在其漂移區(qū)建立雙極等離子體。該建立過(guò)程需要一定的時(shí)間,來(lái)建立穩(wěn)態(tài)等離子體條件。這可能需要幾百納秒,甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,具體取決于器件的技術(shù)和電壓等級(jí)。如果死區(qū)時(shí)間較短(小于在漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)等離子體濃度所需的時(shí)間),則二極管關(guān)斷時(shí),必須去除的電荷較少[3]、[7]。
在需要體二極管換向的應(yīng)用(即橋式拓?fù)洌┲?,縮短死區(qū)時(shí)間,是提升SiC MOSFET性能的有效方式。由于體二極管的雙極電荷會(huì)增加有源開(kāi)關(guān)和無(wú)源開(kāi)關(guān)的損耗(Eon和Erec),因此,縮短死區(qū)時(shí)間,從而減少雙極電荷,也可以減少這兩類開(kāi)關(guān)損耗。如第2.3節(jié)所述,Eon顯著的溫度依賴性主要是因?yàn)轶w二極管的雙極電荷。如果將死區(qū)時(shí)間設(shè)置為足夠短的間隔,那么,就可以盡早停止等離子體的產(chǎn)生,從而有效地消除對(duì)開(kāi)關(guān)行為的影響。
(a)導(dǎo)通
(b)反向恢復(fù)
圖9:iLoad=50A時(shí),死區(qū)時(shí)間的縮短對(duì)開(kāi)關(guān)能量的影響。
圖10:死區(qū)時(shí)間和溫度對(duì)導(dǎo)通波形的影響。
圖9顯示了死區(qū)時(shí)間、導(dǎo)通能量和反向恢復(fù)能量之間的關(guān)系。在本測(cè)量中,實(shí)際的死區(qū)時(shí)間是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)柵極電壓而確定的。
從圖9可以看到,在高溫時(shí),短死區(qū)時(shí)間對(duì)開(kāi)關(guān)能量的影響特別有效;在低溫下,等離子體密度較低時(shí),死區(qū)時(shí)間的影響有限。如果死區(qū)時(shí)間設(shè)置得太短,由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)的同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間非常短,開(kāi)關(guān)能量可能會(huì)再次增加。因此,必須根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器的特性,適當(dāng)調(diào)整死區(qū)時(shí)間。
由圖10可見(jiàn),在175°C時(shí),MOSFET導(dǎo)通波形幾乎等于25°C時(shí)的波形,這是因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間較短時(shí),缺乏雙極等離子體。在這種特殊的情況下,SiC MOSFET的體二極管的行為與肖特基二極管類似。低等離子體密度對(duì)其開(kāi)關(guān)行為幾乎沒(méi)有影響。
4 封裝的影響
器件封裝對(duì)SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)性能有很大影響。與較大的模塊相比,小型分立式封裝通常具有低雜散電感和低Lσ*Inom的特點(diǎn),適用于在高開(kāi)關(guān)頻率下工作的電路。由于尺寸緊湊,它們還為電路設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了更大的靈活性。然而,在以高速電路為目標(biāo)時(shí),設(shè)計(jì)人員必須將某些封裝特性牢記于心。
4.1 4引腳與3引腳
傳統(tǒng)上,單開(kāi)關(guān)分立式功率半導(dǎo)體具有漏極、柵極和源極三個(gè)電氣連接引腳。隨著快速開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn),具有4個(gè)引腳的器件(其中一個(gè)為驅(qū)動(dòng)器提供額外的連接,即所謂的開(kāi)爾文源)變得越來(lái)越普遍。盡管在物理上相似,但實(shí)際上,3引腳和4引腳封裝的SiC MOSFET在開(kāi)關(guān)性能方面,有著顯著的差異。第4個(gè)引腳的真正優(yōu)勢(shì),特別是在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),往往被低估了。
圖11:4引腳和3引腳型號(hào)的TO247封裝
圖12:T=25°C和50A時(shí),4引腳和3引腳TO247封裝在快速導(dǎo)通時(shí)的對(duì)比
圖11對(duì)比了3引腳TO247封裝和4引腳TO247封裝的示意圖。其中,3引腳TO247封裝是標(biāo)準(zhǔn)的通孔封裝,適用于功率半導(dǎo)體,具有悠久的歷史,在行業(yè)中廣為使用。它有一個(gè)源極引腳,由負(fù)載電路和柵極驅(qū)動(dòng)電路共用。該引腳為MOSFET提供公共源極電感Ls,用作負(fù)載電路和柵極電路之間的反饋回路。
傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化3引腳TO247封裝因其引腳長(zhǎng)度和引腳結(jié)構(gòu)(柵極-漏極-源極)(其中,柵極和源極引腳之間的距離最遠(yuǎn))直接導(dǎo)致反饋電感相對(duì)較大。引腳是基于過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置的,遺憾的是,這導(dǎo)致柵極和源極引腳之間產(chǎn)生了一個(gè)高電感回路。它還導(dǎo)致3引腳器件在引腳插入印刷電路板(PCB)的深度方面,非常敏感。器件封裝和PCB之間的距離稍有增加,就會(huì)明顯增加反饋電感。
另一方面,4引腳TO247封裝有兩個(gè)帶有獨(dú)立鍵合線的源極引腳,一個(gè)用于柵極驅(qū)動(dòng)電路,另一個(gè)用于負(fù)載電路。它還提供了更有利的引腳配置,電感環(huán)路的面積更?。郝O-源極-源極-柵極。因此,4引腳TO247封裝在負(fù)載和柵極電路之間幾乎沒(méi)有反饋。
3引腳TO247封裝的柵極反饋與頻率有關(guān),因此,它對(duì)開(kāi)關(guān)的影響程度,取決于實(shí)際的開(kāi)關(guān)速度。當(dāng)使用較大的Rg,ext慢速開(kāi)關(guān),或者當(dāng)功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)速度本來(lái)就很慢時(shí),柵極反饋的影響可能不明顯。但對(duì)于SiC MOSFET的快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)而言,這種影響非常明顯。Ls中的感應(yīng)電壓抵消了柵極驅(qū)動(dòng)電壓,從而有效地減緩了開(kāi)關(guān)過(guò)程,并增加了開(kāi)關(guān)損耗。
圖12在相同的設(shè)置和開(kāi)關(guān)條件下,比較了相同芯片的4引腳TO247和3引腳TO247 SiC MOSFET封裝,強(qiáng)調(diào)了柵極反饋的影響。由圖可知,即使在非常低的Rg,ext下,3引腳封裝的強(qiáng)大柵極反饋也會(huì)防止快速開(kāi)關(guān)。在較高電流時(shí),其反饋電感的影響通常比在較低電流時(shí)更強(qiáng)。
值得注意的是,當(dāng)Lσ過(guò)高時(shí),vds中高過(guò)沖電壓會(huì)限制4引腳器件的開(kāi)關(guān)速度,而3引腳器件可能不會(huì)出現(xiàn)這種情況。后者不能、也不適合非??焖俚拈_(kāi)關(guān)。不過(guò),它們適用于不需要快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。
5 總結(jié)與結(jié)論
快速SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)行為是設(shè)計(jì)高效的功率轉(zhuǎn)換器電路的一個(gè)重要因素。雖然導(dǎo)通損耗(由器件特性和工作條件決定)幾乎沒(méi)有提升性能的潛力,但實(shí)際上,可以通過(guò)優(yōu)化電路,來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗??紤]到工作條件和外部電路對(duì)開(kāi)關(guān)行為的影響,電路設(shè)計(jì)人員有很大的空間,來(lái)改進(jìn)性能。
本文探討了電流、電壓、溫度和柵極電阻對(duì)開(kāi)關(guān)損耗Eon、Eoff和Erec的各種依賴性,以及外部電路的影響。對(duì)于快速開(kāi)關(guān)SiC MOSFET,在高溫和大電流下,體二極管關(guān)斷期間的電壓過(guò)沖,通常是提高開(kāi)關(guān)速度的限制因素。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的低電感電路設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)和更低的損耗。
死區(qū)時(shí)間對(duì)SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)行為有明顯的影響。較短的死區(qū)時(shí)間減少了反向恢復(fù)期間必須去除的雙極電荷,從而減少了導(dǎo)通損耗和恢復(fù)損耗。此外,它還降低了二極管關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖,為更快速的開(kāi)關(guān),提供了更大的空間。在非常短的死區(qū)時(shí)間td<100ns下,開(kāi)關(guān)行為和損耗幾乎與溫度無(wú)關(guān)。
器件封裝會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)性能產(chǎn)生重大影響。分立式3引腳封裝沒(méi)有單獨(dú)的引腳來(lái)連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器,由于其共源電感較大,表現(xiàn)出了非常強(qiáng)的柵極反饋。這種柵極反饋導(dǎo)致其不適用于快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。3引腳器件的開(kāi)關(guān)損耗明顯高于4引腳器件。3引腳器件的開(kāi)關(guān)性能受到器件封裝的限制,4引腳器件則受到外部電路或芯片本身特性的限制。面對(duì)快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用,采用具備兩個(gè)獨(dú)立源極引腳的封裝的SiC MOSFET器件是首選。
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來(lái)源:Paul Sochor, Andreas Huerner, Qing Sun, Rudolf Elpelt,德國(guó)英飛凌科技股份公司
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