【经验】开关电路的功率损失计算
确认电源电路的设计没有超过各设备所容许的损失是很重要的。怠慢这个的话器件可能会导致热破坏。本文阐述使用SiC MOSFET的开关电路中开关动作时SiC MOSFET产生的功率损失的计算方法。
损耗测定电路
作为测量功率器件开关参数的标准方法，有双脉冲测试。测量电路如Figure 1所示。双脉冲测试通过感应负载和电源进行。开关元件的负载大多使用电感器，为了与此条件相同，测试电路也使用电感器。电源用于向电感器供给电压。信号发生器（G）用于输出驱动SiC MOSFET（Q1）栅极的脉冲。散装电容器（C1）用于陡峭的供给瞬间大电流。这是为了补充电源的响应性。
Figure 1. 双脉冲测试电路
Figure 2显示具有代表性的双脉冲测试波形。最上面的波形是栅极驱动脉冲，在最初的脉冲下降边缘测量截止参数，在第2个脉冲的上升边缘测量导通参数。
Figure 2. 双脉冲测试波形
Figure 3中显示了关断部分的详细内容。从VGS下降到90%开始，到VDD下降10%为止，定义为关断时间toff。并且，在这其中，将VDS下降到VDD的90%为止的延迟时间td（off）、VDS从90%到10%的变化定义为下降时间tf。（注：VDS的10%和90%的表达与IEC 60747-8相反。）
Figure 3. turn-OFF时间的定义
Figure 4中表示导通部分的详细内容。从VGS上升10%到VDD下降90%的地方定义为导通时间ton。并且，在这其中，VDS从VDD的10%下降到延迟时间td（on），VDS从10%到90%变化的地方定义为上升时间tr。（注：VDS的10%和90%的表达与IEC 60747-8相反。）
Figure 4. turn-ON时间的定义
接下来，参照Figure 5说明双脉冲测试各步骤的电流流动。
步骤①：第一步是第一次开启区间。低边SiC MOSFET Q1接通后，电源将向电感器供电。这时流向电感器的电流产生磁场，将电能转换成磁能，并储存在电感器中。由于电感器电流与时间成比例地增加，为了达到所需测试电流（ID），调整该区间的脉冲宽度。
步骤②：第二步是第一次的关断区间。Q1关断后，电感器中累积的磁能量会作为电流释放出来。电流通过续流二极管再次回流到电感器。这种情况下的续流二极管是高边SiC MOSFET Q2的体二极管。该区间的脉冲宽度尽量缩短，使负载电流尽可能接近一定。此外，还需要确保Q1的关机时间，因此设置满足两个条件的时间。
步骤③：第3步是第2次导通区间。Q1导通后，在ID波形中观察到过冲，这是直到前不久，在Q2的体二极管中顺向电流导通的电流切换为反阻挡状态时，短时间反向导通的逆恢复电流。这是通过高边SiC MOSFET的ID（Q2）测量的。Q1接通后，电源再次向电感器供电。然后ID从步骤②回流的电流值再次开始增加。脉冲宽度要比第一脉冲短，以免设备因过电流和热量而损坏。此外，因为Q1必须确保一定的导通时间，所以设定满足两个条件的时间。
Figure 5. 双脉冲测试每一步的电流流动
损失计算
在Figure1的测试电路中，低侧SiC MOSFET产生的损失有开关损失和导通损失。理想的开关波形中，如Figure 5所示，VDS(Q1)和ID(Q1)不会延迟，电压和电流会垂直变化。这种状态下不会产生多余的电压和电流，所以不会发生损失。实际上由于寄生电阻和寄生容量的影响会产生延迟，电压和电流波形会像Figure 6那样以ton、toff的倾斜变化。这个倾斜部分的电压和电流重叠的部分是开关损失。
在实际电路中，导通和关断时的过渡期电压和电流会呈指数变化，但是观测到的波形很难用指数函数表示，所以用直线近似来计算。
Figure 6.损耗计算波形（例）
根据Figure 6的波形，计算每个区间用Q1消耗的电力量。首先，在导通ton及关断toff时间（开关时间）中消耗的电力量WSW可以近似于式（1）。
式（1）
接着计算导通时消耗的功率。因为Figure 6在TON的区间Q1导通，所以VDS成为Q1的导通电阻和ID的积。导通电阻的值参照数据表。功率WON可通过式（2）近似。
式（2）
其中，Ron(Q1)：Q1的导通电阻[Ω]， TON：Q1的开启时间[s]
接下来是Q1关断时的功率。Figure 6是TOFF的区间，Q1 OFF时ID变为零，功率WOFF变为零（式3）。
（式3）
Q1的全部功率可以通过式（4）求出，成为式（1）到（3）的总和。
式（4）
另外，Q1的功率损失可以用式（5）计算。
式（5）
其中，T：切换周期[s]， f：开关频率[Hz]
如上所述，损失是通过对电压和电流重叠的部分进行积分近似来计算的，但其他资料中也有不同的公式。例如，这个重叠的部分有时会用更简化的公式来计算三角形和梯形的面积。在这些例子中，即使简化了计算结果误差也很小的情况下使用。
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