深度解析 SiC MOSFET 模块损耗计算方法

在电力电子领域，为了确保 SiC（碳化硅）模块的安全使用，计算其在工作条件下的功率损耗和结温，并使其在额定值范围内运行至关重要。MOSFET 的损耗计算与 IGBT 既有相似之处，又存在显著差异。相较于 IGBT，MOSFET 具备反向导通的特性，能够工作在同步整流模式。本文将详细介绍 SiC MOSFET 模块的损耗计算方法。

1. MOSFET 正向导通

图 1 展示了单个导通脉冲（电感负载）的电压 - 电流波形及产生的损耗示意图。通过对电流和电压进行积分，可得到产生的损耗，主要分为通态损耗和开关损耗。在图 1 中，E (sat) 代表通态损耗，Eon 和 Eoff 则为开关损耗。通态损耗是 MOSFET 在导通状态下由于自身电阻产生的功率损耗，而开关损耗则是在开关过程中，由于电压和电流的变化产生的能量损耗。准确计算这些损耗对于评估 MOSFET 的性能和可靠性至关重要。

2. MOSFET 反向导通

正如第 17 讲《SiC MOSFET 的静态特性》所述，反向导通（源漏方向）时，导通方式会根据栅极电压的变化而改变。当栅极施加负压时，电流流过体二极管，如图 2 所示；而当栅极施加正压（超过阈值电压）时，电流则流过 MOSFET，如图 3 所示。

如果 MOSFET 反向导通时栅极施加负压，电流流过体二极管（此处不考虑内部带 SiC SBD 的 SiC 模块），其损耗计算方式与 IGBT 相同。本章节重点介绍同步整流模式（MOSFET 反向导通时栅极施加正压）下的损耗计算。在同步整流模式下，MOSFET 的导通电阻更低，能够有效降低损耗，提高系统效率。

3. 直流斩波电路损耗计算

以工作在 CCM 模式的 Buck 电路（图 4）为例，来介绍 SiC MOSFET 损耗计算方法。Vin/Iin 为输入电压电流，Vo/Io 为输出电压电流。T1 为控制管；T2 为续流管，工作在同步整流模式。

3.1 T1 损耗计算

T1 作为控制管，其占空比可通过特定公式计算。T1 导通损耗可由公式计算，其中 RDS (on) 为 T1 管的通态电阻。T1 开关损耗同样可由相应公式计算，其中 VDD 为 SiC MOSFET datasheet 中开关损耗测试电压，Eon (@Io)、Eoff (@Io) 为 datasheet 中电流值 Io 对应的开关损耗，这些参数均可在 datasheet 中查找（除部分产品外，如有需要，可联系相关公司）。fsw 为开关频率。计算 T1 的损耗，有助于优化控制管的性能，提高整个电路的效率。

3.2 T2 损耗计算

T2 作为续流管，其占空比为 1 - D。T2 导通损耗可由相应公式计算。T2 零电压开关，所以没有开关损耗。但是在 T1 开通瞬间，T2 体二极管会产生反向恢复损耗，可由特定公式计算。其中 Err (@Io) 为 datasheet 中电流值

 Io 对应的开关损耗，也可在 datasheet 中查找（除部分产品外，如有需要，可联系相关公司）。了解 T2 的损耗情况，对于设计高效的续流电路具有重要意义。

4. SPWM 调制桥式电路损耗计算

以 SPWM 调制的三相桥式电路（图 5）为例，来介绍 SiC MOSFET 损耗计算方法。VCC 为直流电压，Io 为输出电流有效值。MOSFET 工作在同步整流模式。

输出电流可通过特定公式计算。导通损耗可由相应公式计算

开关损耗同样可由公式计算，其中 VDD 为 SiC MOSFET datasheet 中开关损耗测试电压，Eon (@IP)、Eoff (@IP) 为 datasheet 中电流值 IP 对应的开关损耗，fsw 为开关频率。

SiC MOSFET 体二极管在对管开通时会产生反向恢复损耗，可由特定公式计算。掌握 SPWM 调制桥式电路中 SiC MOSFET 的损耗计算方法，对于设计高性能的电力电子系统至关重要。