一、SiC MOSFET 模块损耗分类

SiC MOSFET 模块的总损耗主要分为两大类：

1.1 导通损耗（Conduction Loss）

导通损耗源于器件在导通状态下的漏极电流通过本体电阻$R_{\text{DS(on)}}$RDS(on) 所产生的能量损耗。

$$P_{\text{cond}} = I_D^2 \cdot R_{\text{DS(on)}}$$Pcond=ID2⋅RDS(on)

其中：

• $I_D$ID：漏极电流

• $R_{\text{DS(on)}}$RDS(on)：导通电阻，随结温升高而增加

1.2 开关损耗（Switching Loss）

开关损耗发生在器件开通和关断的瞬间，包括：

• 开通损耗$E_{\text{on}}$Eon：从截止到导通过程中的能量损耗

• 关断损耗$E_{\text{off}}$Eoff：从导通到截止过程中的能量损耗

总开关损耗为：

$$P_{\text{sw}} = f_s \cdot (E_{\text{on}} + E_{\text{off}})$$Psw=fs⋅(Eon+Eoff)

其中：

• $f_s$fs：开关频率

• $E_{\text{on}}, E_{\text{off}}$Eon,Eoff：单位开关周期内损耗（查阅器件手册或仿真获得）

二、损耗计算基础模型

损耗计算不仅与器件参数有关，还涉及电路工作条件，包括电压、电流波形、工作频率、工作温度等。

2.1 导通损耗建模

导通损耗为平均值计算：

$$P_{\text{cond}} = \int_{0}^{T_s} [i_D(t)^2 \cdot R_{\text{DS(on)}}(T_j)] \cdot \frac{dt}{T_s}$$Pcond=∫0Ts[iD(t)2⋅RDS(on)(Tj)]⋅Tsdt

简化情况下可采用 RMS 近似：

$$P_{\text{cond}} \approx I_{\text{RMS}}^2 \cdot R_{\text{DS(on)}}$$Pcond≈IRMS2⋅RDS(on)

2.2 开关损耗建模

查阅数据手册中给出的$E_{\text{on}}$Eon、$E_{\text{off}}$Eoff 通常与以下因素相关：

• 电压$V_{\text{DS}}$VDS

• 电流$I_D$ID

• 栅极电阻$R_G$RG

• 工作温度$T_j$Tj

实际使用中，应对标准值按如下比例线性或近似放大：

$$E_{\text{on,实际}} \approx E_{\text{on,ref}} \cdot \frac{I_D}{I_{\text{ref}}} \cdot \frac{V_{\text{DS}}}{V_{\text{ref}}}$$Eon,实际≈Eon,ref⋅IrefID⋅VrefVDS

开关频率提高将直接提高开关损耗。

三、实例：SiC MOSFET 模块损耗计算

假设某SiC模块的参数如下：

• $V_{\text{DS}} = 800\,\text{V}$VDS=800V

• $I_D = 40\,\text{A}$ID=40A

• $f_s = 50\,\text{kHz}$fs=50kHz

• $R_{\text{DS(on)}} = 60\,\text{m}\Omega$RDS(on)=60mΩ（@150℃）

• $E_{\text{on}} = 0.4\,\text{mJ}$Eon=0.4mJ、$E_{\text{off}} = 0.5\,\text{mJ}$Eoff=0.5mJ（@800V/40A）

计算如下：

导通损耗：

$$P_{\text{cond}} = I_D^2 \cdot R_{\text{DS(on)}} = 40^2 \cdot 0.06 = 96\,\text{W}$$Pcond=ID2⋅RDS(on)=402⋅0.06=96W

开关损耗：

$$P_{\text{sw}} = f_s \cdot (E_{\text{on}} + E_{\text{off}}) = 50,000 \cdot (0.0004 + 0.0005) = 45\,\text{W}$$Psw=fs⋅(Eon+Eoff)=50,000⋅(0.0004+0.0005)=45W

总损耗：

$$P_{\text{total}} = P_{\text{cond}} + P_{\text{sw}} = 96 + 45 = 141\,\text{W}$$Ptotal=Pcond+Psw=96+45=141W

这说明在高频下，SiC的开关损耗仍然显著，需通过栅极驱动优化与热管理手段降低系统热应力。

四、影响 SiC MOSFET 损耗的关键因素

4.1 温度影响

• SiC 的$R_{\text{DS(on)}}$RDS(on) 对温度变化更敏感，温度越高，损耗越大。

• 应选择温度特性稳定的模块，必要时加热仿真。

4.2 驱动参数

• 合理选择栅极电阻$R_G$RG 可以在开关速度和过冲控制之间权衡，降低开关损耗。

• 采用双脉冲测试法可以更精确测定开关能量。

4.3 电流波形

• 不同应用（如PFC、逆变器）电流波形不同，RMS 计算方式有所区别，需结合PWM波形建模。

五、SiC损耗仿真与评估工具

在实际开发中，使用仿真工具可以高效评估模块级损耗：

• PSpice / LTspice：可用于栅极驱动和动态响应建模。

• PLECS / Simetrix：适合完整功率拓扑下进行热-电联合仿真。

• 厂商提供的损耗计算器（如ROHM、Wolfspeed）：快速给出在不同条件下的损耗曲线。

六、SiC MOSFET 与 Si IGBT 损耗对比简述

七、总结与工程建议

SiC MOSFET 模块的损耗计算是高效电源设计的核心内容之一。掌握其损耗模型，不仅可以：

• 提高系统效率

• 优化热设计

• 降低成本冗余

• 延长产品寿命

在工程实践中建议：

1. 结合数据手册与仿真工具双重验证；

2. 建立温度-损耗耦合模型，评估高温性能；

3. 合理选取驱动参数和散热结构；

4. 进行典型负载工况的损耗预测。

掌握这些方法，将帮助工程师充分发挥 SiC MOSFET 的性能优势，提升系统整体表现。