第一章 SiC MOSFET器件特性(二)

1.3 SiC MOSFET动态特性

1.3.1 结电容

SiC MOSFET 的栅极依托薄层氧化硅实现绝缘隔离,因此器件内部天然存在栅源、栅漏、漏源三类寄生结电容,依次为栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd和漏源电容Cds​。

工程应用中为便于分析,通常定义输入电容Ciss、输出电容Coss、反馈电容Crss三个等效参数,对应关系如下:

Ciss= Cgd+ Cgs

Coss= Cgd+ Cds

Crss= Cgd

其中,输入电容Ciss​决定器件开通速度,同时会增大驱动损耗;输出电容Coss​影响关断过程,易引发电路谐振问题;反馈电容Crss​即密勒电容,对开通、关断特性均有显著影响。受密勒平台效应作用,Crss​会大幅制约整体开关速度,且开关瞬态产生的电压正反馈,极易诱发电路自激振荡。

1.3.2 栅极电荷

在SiC MOSFET的开关过程中,一定量的电荷将注入或抽离输入电容。栅极电荷在开关过程中的特性曲线如下图所示:

0~t₁阶段的栅极电荷为阈值前栅电荷QGS1​,此阶段栅源电压VGS​尚未达到阈值电压VTH​;t₁~t₂阶段为阈值后栅电荷QGS2​,此时VGS​已超过阈值电压,但未上升至密勒平台电压VGP​;t₂~t₃阶段为栅漏电荷QGD​,对应VGS​维持密勒平台的工作区间。

上述各阶段电荷之和,即为器件的总栅电荷QG​。

结合IDS​与VDS​变化曲线可知:开关损耗主要集中在器件同时承受高漏源电压与大漏极电流的区间,对应t ₁~t ₃时段,该区间内的累积栅电荷,定义为开关电荷QSW​。

1.3.3 体二极管反向恢复

体二极管反向恢复,是指其由正向导通切换至反向截止的动态过程。在电力电子电路中,SiC MOSFET 的体二极管常承担续流作用,因此反向恢复特性是衡量器件动态性能的关键指标。

下图为 SiC MOSFET 体二极管的反向恢复特性曲线:t0​时刻之前,漏源电压反向偏置,体二极管PN结正向导通,回路流过正向电流IF​;t0​~t1​阶段,漏源电压转为正向,体二极管开始关断,正向电流逐步衰减至零;t1​~t2​区间,反向恢复电流IR​持续增大,漂移区逐渐形成耗尽层;t2​时刻,N 型漂移区内少数载流子完全被抽取,反向电流达到峰值;t2​~t3​阶段,反向电流逐步回落至零,体二极管完成反向恢复全过程。

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