本文將介紹如何根據(jù)開關(guān)波形計(jì)算使用了SiC MOSFET的開關(guān)電路中的SiC MOSFET的損耗。這是一種在線性近似的有效范圍內(nèi)對(duì)開關(guān)波形進(jìn)行分割，并使用近似公式計(jì)算功率損耗的方法。

· 開關(guān)波形的測(cè)量方法

· 通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法

· 根據(jù)測(cè)得波形計(jì)算功率損耗示例

· 各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例

· 各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例

1開關(guān)波形的測(cè)量方法

首先是開關(guān)波形的測(cè)量方法。近年來，一些示波器已經(jīng)具備可以自動(dòng)計(jì)算并顯示所觀測(cè)波形的功率損耗的功能，但如果沒有該功能，就需要通過測(cè)得的波形來計(jì)算損耗了。為此，需要了解具體的測(cè)量方法和波形。

圖1是開關(guān)電路、監(jiān)測(cè)波形的探頭以及測(cè)量示意圖。我們使用差分探頭來測(cè)量MOSFET的漏-源電壓。另外，使用電流探頭來測(cè)量漏極電流。

圖2為各部分的波形和功率損耗(陰影區(qū)域)示意圖。

ton表示開通時(shí)間，toff表示關(guān)斷時(shí)間，在該區(qū)間的VDS和ID重疊部分產(chǎn)生了開關(guān)損耗。由于該電路是感性負(fù)載，因此在開通時(shí)，ID會(huì)先開始變化，電流變化結(jié)束后VDS開始變化。關(guān)斷時(shí)則相反，VDS先開始變化，電壓變化結(jié)束后ID才開始變化。

ton是MOSFET的導(dǎo)通區(qū)間，在該區(qū)間中，會(huì)因ID和MOSFET的導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)有一些注意事項(xiàng)。第一個(gè)是示波器的采樣率。如果采樣率過低，就會(huì)漏掉波形的細(xì)節(jié)部分，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此需要顯示采樣點(diǎn)并確認(rèn)是否是準(zhǔn)確跟蹤而獲得的波形。

第二個(gè)是在電壓探頭和電流探頭之間，由于延遲時(shí)間特性不同，所以測(cè)得的波形會(huì)因這種延遲差而存在誤差。如果不進(jìn)行任何校正，電壓和電流之間就會(huì)在時(shí)間軸方向上出現(xiàn)偏差，圖2陰影區(qū)域的面積就會(huì)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致?lián)p耗計(jì)算出現(xiàn)誤差。要消除測(cè)量過程中的延遲差，就需要實(shí)施偏差校準(zhǔn)(de-skew)。具體方法請(qǐng)參閱測(cè)量設(shè)備的使用說明書和測(cè)量設(shè)備制造商提供的技術(shù)資料。

除此之外，在處理測(cè)量點(diǎn)和探頭操作等方面，請(qǐng)遵循對(duì)高電壓和大電流進(jìn)行高速開關(guān)的MOSFET的波形觀測(cè)基本要求進(jìn)行。

通過波形的線性近似法計(jì)算損耗的方法

下面將介紹根據(jù)前面測(cè)得的開關(guān)波形，使用線性近似法來計(jì)算功率損耗的方法。通過在線性近似有效范圍內(nèi)對(duì)所測(cè)得的波形進(jìn)行分割，可以計(jì)算出功率損耗。

開通和關(guān)斷區(qū)間的開關(guān)損耗

首先，計(jì)算開通和關(guān)斷時(shí)間內(nèi)消耗的功率損耗Pton和Ptoff。波形使用圖3中的示例波形。功率損耗使用表1中的近似公式來計(jì)算。由于計(jì)算公式會(huì)因波形的形狀而有所不同，因此請(qǐng)選擇接近測(cè)得波形的近似公式。

在圖3的波形示例中，開通時(shí)的波形被分割為兩部分，前半部分(ton1)使用表1中的例2。另外，使用公式ID1?0作為條件。后半部分(ton2)使用例3中的公式VDS2?0。

在圖3中，會(huì)因MOSFET的導(dǎo)通電阻和ID而產(chǎn)生電壓VDS2(on)，但如果該電壓遠(yuǎn)低于、VDS的High電壓，就可以視其為零。綜上所述，可以使用下面的公式(1)來近似計(jì)算開通時(shí)的功率損耗。

同樣，將關(guān)斷時(shí)的波形也分為兩部分，前半部分(toff1)使用表1的例1中的公式VDS1?0，后半部分(toff2)使用例8中的公式ID2?0。在圖3中，由于前述的原因，會(huì)產(chǎn)生電壓VDS1(off)，但如果該電壓遠(yuǎn)低于VDS的High電壓，則將其按“零”處理。這樣，就可以使用下面的公式(2)來近似計(jì)算關(guān)斷時(shí)的功率損耗。

導(dǎo)通期間的功率損耗

接下來，我們來計(jì)算導(dǎo)通期間消耗的功率損耗。圖4是用來計(jì)算導(dǎo)通損耗的波形示例。由于在TON區(qū)間MOSFET是導(dǎo)通的，因此、VDS是MOSFET導(dǎo)通電阻和ID的乘積。有關(guān)導(dǎo)通電阻的值，請(qǐng)參閱技術(shù)規(guī)格書。需要從表2中選擇接近該波形形狀的例子并使用其近似公式來計(jì)算功率損耗。

在本示例中，我們使用表2中的例1。MOSFET導(dǎo)通期間的導(dǎo)通損耗可以用下面的公式(3)來計(jì)算。

MOSFET關(guān)斷時(shí)的功率損耗在圖4中位于TOFF區(qū)間，由于MOSFET關(guān)斷時(shí)的ID足夠小，因此將功率損耗視為零。

總損耗

如公式(4)所示，MOSFET開關(guān)工作時(shí)的總功率損耗為此前計(jì)算出的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和。

需要注意的是，表1和表2中的每個(gè)例子都有“參見附錄”的注釋，在附錄中有每個(gè)例子的詳細(xì)計(jì)算示例。各計(jì)算示例將會(huì)在后續(xù)的“各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例”和“各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例”中出現(xiàn)。

根據(jù)測(cè)得波形計(jì)算功率損耗示例

接下來，我們將使用“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”，根據(jù)所測(cè)得的波形來計(jì)算功率損耗(示例)。

下面我們通過示例，來根據(jù)實(shí)際測(cè)得的開關(guān)波形計(jì)算功率損耗。圖5是實(shí)測(cè)的開關(guān)波形，顯示了反復(fù)進(jìn)行ON/OFF時(shí)的整體情況。波形圖中上方是ID的波形，下方是VDS的波形。下面我們根據(jù)該波形，來分別計(jì)算開通(開關(guān)接通)時(shí)、導(dǎo)通時(shí)(導(dǎo)通狀態(tài))和關(guān)斷(開關(guān)關(guān)閉)時(shí)的損耗。

開通時(shí)的損耗計(jì)算

圖6是圖5中開通時(shí)的波形放大圖，需要使用ID(上)和VDS(下)來計(jì)算損耗。由于在波形過程中的斜率發(fā)生了變化，因此需要按相同的斜率來分割區(qū)間，但由于波形很復(fù)雜，因此區(qū)間分割是主觀的。讀取每個(gè)區(qū)間的起始電壓和電流、終止電壓和電流以及時(shí)間。

將值代入“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”中的表1中列出的公式(A)，求出功率損耗。在這之后我們都將按照表1中給出的公式進(jìn)行計(jì)算，所以請(qǐng)您參考表1閱讀下面的內(nèi)容。圖6右側(cè)是開關(guān)開通時(shí)的功率損耗計(jì)算示例。在這里將分割的區(qū)間命名為t1～t5。

如最后一個(gè)公式Pton所示，開通時(shí)的損耗是分割區(qū)間t1～t5損耗的總和。

導(dǎo)通時(shí)的損耗計(jì)算

圖7是導(dǎo)通時(shí)的放大波形。導(dǎo)通時(shí)的損耗計(jì)算也是一樣，通過將值帶入“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”中的表2中的公式(E)來計(jì)算。關(guān)于SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻，需要使用技術(shù)規(guī)格書中給出的最大值。

關(guān)斷時(shí)的損耗計(jì)算

圖8是關(guān)斷時(shí)的波形放大圖。關(guān)斷時(shí)的損耗計(jì)算方法與開通時(shí)的相同，將值代入表1中的公式(A)來計(jì)算。在這里將分割的區(qū)間命名為t1～t8。圖中給出了關(guān)斷時(shí)每個(gè)區(qū)間的損耗計(jì)算結(jié)果以及關(guān)斷時(shí)的損耗(Ptoff=各區(qū)間的損耗之和)。

總功率損耗的計(jì)算

總功率損耗可以通過下面的公式計(jì)算。如公式所示，總功率損耗是上面求得的開通損耗、導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗之和。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例

在“根據(jù)測(cè)得波形計(jì)算功率損耗示例”中，作為示例，我們將實(shí)測(cè)波形在線性近似有效范圍內(nèi)進(jìn)行分割，并使用“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”中相應(yīng)的公式，計(jì)算了開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，并計(jì)算了總損耗。

從本文開始，我們將利用“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”的表1中給出的所有基于線性近似分割來計(jì)算開關(guān)損耗的公式，計(jì)算1～9種情況(附錄A～I(xiàn))下的開關(guān)損耗(示例)。對(duì)于使用“根據(jù)測(cè)得波形計(jì)算功率損耗示例”中沒有的公式計(jì)算開關(guān)損耗的情況，請(qǐng)參考下面的鏈接。另外，使用表2所示的線性近似分割方法來計(jì)算導(dǎo)通損耗的公式進(jìn)行計(jì)算的示例，會(huì)另行發(fā)布，屆時(shí)請(qǐng)一并參閱。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例

例1：ID上升、VDS上升波形(附錄A)

例2：ID上升、VDS恒定波形(附錄B)

例3：ID上升、VDS下降波形(附錄C)

例4：ID恒定、VDS上升波形(附錄D)

例5：ID恒定、VDS恒定波形(附錄E)

例6：ID恒定、VDS下降波形(附錄F)

例7：ID下降、VDS上升波形(附錄G)

例8：ID下降、VDS恒定波形(附錄H)

例9：ID下降、VDS下降波形(附錄I)

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例1：ID上升、VDS上升波形(附錄A)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖A-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖A-1中0-t1期間的功率損耗P，通常可以通過對(duì)公式(A-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外，ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖A-1中的斜率，用公式(A-2)和公式(A-3)來表示。

將公式(A-2)和公式(A-3)代入公式(A-1)，

根據(jù)公式進(jìn)行積分。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

求下列條件下的功率損耗。

將公式(A-10)代入公式(A-9)。

將公式(A-14)代入公式(A-9)。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例2：ID上升、VDS恒定波形(附錄B)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖B-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖B-1中0-t1期間的功率損耗P，通常可以通過對(duì)公式(B-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外，ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖B-1中的斜率，用公式(B-2)和公式(B-3)來表示。

將公式(B-2)和公式(B-3)代入公式(B-1)，

根據(jù)公式進(jìn)行積分。

求下列條件下的功率損耗。

將公式(B-10)代入公式(B-9)。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例3：ID上升、VDS下降波形(附錄C)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖C-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖C-1中0-t1期間的功率損耗P，通常可以通過對(duì)公式(C-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外，ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖C-1中的斜率，用公式(C-2)和公式(C-3)來表示。

將公式(C-2)和公式(C-3)代入公式(C-1)，

根據(jù)公式進(jìn)行積分。

求下列條件下的功率損耗。

將公式(C-10)代入公式(C-9)。

將公式(C-14)代入公式(C-9)。

將公式(C-18)代入公式(C-9)。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例4：ID恒定、VDS上升波形(附錄D)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖D-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖D-1中0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^對(duì)公式(D-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外，ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖D-1中的斜率，用公式(D-2)和公式(D-3)來表示。

將公式(D-2)和公式(D-3)代入公式(D-1)，

根據(jù)公式進(jìn)行積分。

求下列條件下的功率損耗。

將公式(D-10)代入公式(D-9)。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例5：ID恒定、VDS恒定(附錄E)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖E-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖E-1中0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^對(duì)公式(E-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例6：ID恒定、VDS下降波形(附錄F)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖F-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖F-1中0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^對(duì)公式(F-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖F-1中的斜率，用公式(F-2)和公式(F-3)來表示。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例7：ID下降、VDS上升波形(附錄G)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖G-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖G-1中0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^對(duì)公式(C-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

其中，f：開關(guān)頻率[Hz]

另外ID(t)和VDS(t)可根據(jù)圖G-1中的斜率，用公式(G-2)和公式(G-3)來表示。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例8：ID下降、VDS恒定波形(附錄H)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖H-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖H-1中0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^對(duì)公式(H-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例：例9：ID下降、VDS下降波形(附錄I)

下面我們根據(jù)開關(guān)波形的漏-源電壓VDS和漏極電流ID，使用線性近似方式計(jì)算開通時(shí)和關(guān)斷時(shí)的功率損耗(開關(guān)損耗)。圖I-1是用于損耗計(jì)算的波形。

圖I-1中0-t1期間的功率損耗P，通常可以通過對(duì)公式(I-1)中的電流和電壓之積進(jìn)行積分來計(jì)算。

各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例

繼“各種波形的開關(guān)損耗計(jì)算示例”之后，下面我們來看各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例。我們將利用“通過波形的線性近似分割來計(jì)算損耗的方法”的表2中給出的所有基于線性近似分割計(jì)算導(dǎo)通損耗的公式，來計(jì)算1～3種情況(附錄J～L)下的導(dǎo)通損耗。

各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例

例1：ID上升波形(附錄J)

例2：ID恒定波形(附錄K)

例3：ID下降波形(附錄L)

各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例：例1：ID上升波形(附錄J)

我們通過MOSFET的導(dǎo)通電阻RON和開關(guān)波形中的漏極電流ID，利用線性近似法來求導(dǎo)通期間(0-t1)的功率損耗。圖J-1是用于損耗計(jì)算的波形。

在圖J-1中，由于在0-t10期間MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此VDS等于MOSFET的導(dǎo)通電阻RON與ID的乘積。

在0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^公式(J-1)中的電阻與電流平方的乘積積分進(jìn)行計(jì)算。

SiC MOSFET：各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例：例2：ID恒定波形(附錄K)

我們通過MOSFET的導(dǎo)通電阻RON和開關(guān)波形中的漏極電流ID，利用線性近似法來求導(dǎo)通期間(0-t1)的功率損耗。圖K-1是用于損耗計(jì)算的波形。

在圖K-1中，由于在0-t10期間MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此VDS等于MOSFET的導(dǎo)通電阻RON與ID的乘積。

在0-t1期間的功率損耗P，通?？梢酝ㄟ^公式(K-1)中的電阻與電流平方的乘積積分進(jìn)行計(jì)算。

SiC MOSFET：各種波形的導(dǎo)通損耗計(jì)算示例：例3：ID下降波形(附錄L)

我們通過MOSFET的導(dǎo)通電阻RON和開關(guān)波形中的漏極電流ID，利用線性近似法來求導(dǎo)通期間(0-t1)的功率損耗。圖L-1是用于損耗計(jì)算的波形。

在圖L-1中，由于在0-t10期間MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此VDS等于MOSFET的導(dǎo)通電阻RON與ID的乘積。

在0-t1期間的功率損耗P，通常可以通過公式(L-1)中的電阻與電流平方的乘積積分進(jìn)行計(jì)算。