零电压开关(ZVS)能够在高频下实现高效的电能转换。虽然ZVS能显著降低开关损耗，但一些残余损耗依然存在。德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究人员通过热量损耗测量，对1200 V SIC mosfet在高达350 kHz频率下进行了基准测试。他们的研究结果有助于设计者为高频软开关应用选择最优的碳化硅器件。

为何在ZVS应用中，选择合适的碳化硅器件至关重要?

功率转换器中的零电压开关(ZVS)是降低开关损耗、同时抑制电磁干扰的一项关键技术，从而可实现高达数百千赫兹的开关频率。ZVS通过利用电路寄生参数或小型无源感性/容性元件，最小化开关转换期间的电压-电流重叠来实现。尽管ZVS能显著降低开关损耗，但并不能完全消除它们。在[1]中已证明，残余损耗受MOSFET固有参数(如栅极电阻、寄生电容等)以及栅极驱动的驱动能力和时序的影响。本研究的目标是在高达350 kHz频率下，于半桥电路中评估当前主流的1200 V SiC功率MOSFET在ZVS条件下的表现，为设计超高效率、高密度软开关转换器的工程师提供清晰的器件选择标准。

采用瞬态热量测量法的测试方法

由于宽带隙(WBG)器件开关速度极快，使用双脉冲测试通过电压和电流测量来精确估算功率损耗极具挑战性。与电气测量方法相比，热量测量方法通常能提供更高的精度，因此更适合于此应用场景。为了缩短测量时间，采用了瞬态热量法。该方法涉及测量一个热质量(例如作为热容Cth的铜块)在被晶体管加热的特定时间∆t(该时间远短于铜块的热时间常数)内的线性温升∆ϑ。从而可以利用以下公式估算半导体器件的总功率损耗：

测试台架设置

如图1(a)所示，在每个被测晶体管的背面焊接了一个15克的铜块以增加热容。图1(b)展示了一个为感性负载供电的半桥测试电路，用于评估残余ZVS损耗。两个开关SHS和SLS采用三角电流模式(TCM)调制运行，以实现上桥臂和下桥臂开关的ZVS开通。晶体管的死区时间保持尽可能短，以最小化流过内部体二极管的电流。为了进一步最小化死区期间体二极管的导通损耗，每个晶体管并联了一个SiC肖特基二极管。测量装置使用了三个圆柱形空气线圈L，每个具有不同的电感值，以评估从70 kHz到350 kHz不同开关频率下的功率损耗。外部栅极关断电阻设为零，这在软开关应用中很常见。

图1

本研究中使用的栅极驱动器提供最大10 A的栅极电流。主电路和测试参数列于表1。

表1

图2展示了一个示例性的加热过程，其中下桥臂开关配备了铜块。温度测量在涂有哑光黑色的表面进行，以尽量减少表面反射，从而提高热成像的精度。温度数据使用平均采样率为15 Hz的红外热像仪记录。记录的温度曲线斜率与Cth共同决定了器件的总功率损耗。

图2

实验结果

本研究涵盖了九款标准TO-247-4封装的SiC MOSFET(标记为T1至T9)，以及一款TO-247-4封装的SiC JFET级联器件T10。所有器件的最大阻断电压均为1200 V，且Rds(on)值相似。三安光电(Sanan)的平面结构晶体管(SMS1200016M [2])在测量系列中被指定为T1。其余晶体管T2至T10均为市售产品，代表了半导体技术的最新进展。表2总结了这些器件的关键特性。

每个被测器件从室温开始运行五秒钟。图3展示了通过热成像获得的铜块温升情况。

图3

该测量系列强调了在采用ZVS的软开关应用中选择合适晶体管的重要性：五秒后，晶体管T1和T2的温升仅为4 K，大约是晶体管T10观察到的7.5 K温升的一半。

对于每个开关电流水平Isw，在两个不同的电感值(对应两个不同的开关频率)下记录了温度曲线。基于热量测量得到的温度曲线，可以在后处理中减去导通损耗，从而计算出ZVS运行下的残余开关能量。栅极金属化损耗被确定在0.5至2 µJ范围内，在本研究中可以忽略不计。图4展示了所有被测晶体管的残余开关损耗随开关电流变化的函数关系。

图4

Esw随Isw增加而线性上升，略微超过正比例关系。晶体管T1和T2在研究中表现出最佳性能，而T7和T10则显示出最差的结果。具体来说，最适合ZVS运行的晶体管引起的开关能量大约仅为最差情况下的三分之一。Esw曲线中一些微小的异常表明了轻微的测量误差。

那么，ZVS应用中的器件选择标准是什么?

值得注意的是，在进行的测量系列中，晶体管的单位成本与其性能并不相关。相反，器件特定的参数决定了其在ZVS条件下的性能。较低的内部栅极电阻Rg,int以及较高的Vgs与Vth比值会导致更高的栅极放电电流。

对于给定的栅极电流，输入电容Ciss较低的器件会导致栅源电压快速衰减(栅极放电常数τg(off)较小)，因此保持在导通状态的时间更短，导致更低的(V-I)重叠。因此，晶体管T1、T2、T3以及(在高负载下)T4表现出优越的性能。

此外，较大的输出电容Coss会减缓开关转换期间的vds上升速度，同样减少了电压和电流的重叠。例如，与其他器件相比，具有相对较高Coss的晶体管T2表现出特别低的损耗。在实际应用中，可以通过在漏源极并联外部NP0 MLCC电容来进一步提升性能。这会增加有效电容并降低电压变化率，这对于那些原本性能较低的晶体管尤其有益。除此之外，其他晶体管参数，如跨导和反向传输电容Crss，也会影响ZVS损耗，尽管这些影响被认为是次要的。

关键发现强调，最小化Rg,int和Ciss，同时最大化Coss，是实现最优ZVS开关的途径。三安光电的晶体管产品系列以其极低的Rg,int(低至0.9 Ω)以及精心优化的输入/输出电容比而著称。这种协同效应能够实现超快的沟道关闭和柔和的电压上升，从而减少关断期间的(V-I)重叠，并最小化ZVS条件下的残余开关损耗。