SiC MOSFET SPICE模型的對(duì)比圖文分享-KIA MOS管

一些SiC MOSFET制造廠商提供SiC器件的SPICE模型，從而可以評(píng)估SiC器件在電力電子變換電路中的表現(xiàn)。

本文針對(duì)商用分立SiC MOSFET的兩種SPICE模型做了對(duì)比。一種是廣泛應(yīng)用的制造商提供SPICE模型，這種模型在制造商的官網(wǎng)可以免費(fèi)下載。另外一種是基于Simplorer模型新開發(fā)的SPICE模型。后一種模型可以成功描述SiC MOSFET寄生電容與極間電壓的非線性關(guān)系。

兩種模型的準(zhǔn)確性通過仿真與實(shí)測(cè)的開關(guān)波形來驗(yàn)證，重點(diǎn)對(duì)比了dvDS/dt, diD/dt和高頻下對(duì)散熱器的漏電流。

SiC MOSFET SPICE模型對(duì)比

圖1為一種SiC MOSFET器件SPICE模型的電路原理圖，包含三個(gè)電極（柵極、漏極和源極）、一個(gè)SiC MOSFET內(nèi)核（用以描述其輸出特性）、寄生電容（CDG、CDS、CGS）、內(nèi)部柵極電阻RGint、寄生雜散電感（LG、LS、LD）。

圖1：一種SPICE模型的電路原理圖

表Ⅰ為SPICE模型的組成元件對(duì)比。

為了實(shí)現(xiàn)精確的SPICE模型，內(nèi)部柵極電阻是不可或缺的，盡管其相對(duì)于外部柵極電阻阻值較小，但是內(nèi)部柵極電阻上面的壓降補(bǔ)償能夠使柵源極電壓更加精確，進(jìn)而影響SiC MOSFET的輸出特性。

制造商的SPICE模型設(shè)定內(nèi)部柵極電阻為4.6Ω，這是一個(gè)典型值并被標(biāo)注在規(guī)格書中。而新的模型基于LCR測(cè)量法設(shè)定為3.6Ω。這些內(nèi)部柵極電阻的阻值在SPICE庫文件（.lib）里面是需要被定義的。

無論對(duì)分立器件還是模塊，封裝的雜散電感取值一直是器件建模的爭(zhēng)議點(diǎn)。制造商的SPICE模型中，柵極雜散電感為15nH，漏極雜散電感為6nH，源極雜散電感為9nH，但是這些雜散電感感值的取值方法并未透漏。

新SPICE模型設(shè)置漏極電感為2.5nH，源極電感為4.5nH，并且設(shè)置他們之間的耦合系數(shù)k為0.46。這些參數(shù)是通過文獻(xiàn)所述的實(shí)驗(yàn)方法獲得的。

新SPICE模型的雜散電感比制造商的SPICE模型的一半還小，并且是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。這些雜散電感的感值在SPICE庫文件（.lib）里面也是需要被定義的。

表Ⅰ：兩種SPICE模型的詳細(xì)對(duì)比

輸出特性是MOSFET內(nèi)核模型的基本特性。

制造商的模型采用改進(jìn)的EKV模型，此模型的公式如附錄1所示。新模型在線性區(qū)采用物理模型，對(duì)飽和區(qū)采用行為近似。輸出特性模型采用了電壓控制電流源。

眾所周知，寄生電容是決定器件開關(guān)特性的最重要元件。

如表Ⅰ所示，制造商的模型中，CDG是非線性的，且僅與VDG電壓相關(guān)，采用具有雙曲轉(zhuǎn)移函數(shù)的電壓控制電流源（轉(zhuǎn)移電導(dǎo)G）來近似模擬CDG隨VDG電壓升高而逐漸下降的特性。

CDS與VDS電壓相關(guān)。采用體二極管子電路模型的結(jié)電容來表示CDS。另外，體二極管還有一個(gè)與diD/dVDS成比例的擴(kuò)散電容。對(duì)于CGS，設(shè)定為恒定值950pF。

然而，新SPICE模型，CDG與VGS、VDS電壓相關(guān)，CDS也與VGS、VDS電壓相關(guān)。VGS依賴性表示MOSFET處于通態(tài)狀態(tài)時(shí)的電容值。利用電壓控制電流源對(duì)VDS的指數(shù)近似和對(duì)VGS的雙曲近似來表示CDG。

同樣，利用電壓控制電流源對(duì)VDS和VGS的sigmoid函數(shù)近似來表示CDS。對(duì)于CGS，新模型采用依賴于VGS的模型。從表Ⅰ可以看出，與制造商模型相比，新模型的寄生電容模型較為復(fù)雜。

開關(guān)波形對(duì)比

通過帶電感負(fù)載的雙脈沖開關(guān)試驗(yàn)來驗(yàn)證以上模型。如圖2所示的開關(guān)測(cè)試試驗(yàn)裝置，包含下橋臂SiC MOSFET（待測(cè)器件），作為續(xù)流二極管用的上橋臂SiC MOSFET，與之串聯(lián)的直流支撐電容，與上橋臂SiC MOSFET并聯(lián)的空心電感，以及商用化的柵極驅(qū)動(dòng)電路（GDU40-2）。

圖2：帶電感負(fù)載的雙脈沖開關(guān)試驗(yàn)裝置

圖3為兩種模型在漏極電流為20A時(shí)VDS、iD和高頻漏電流的瞬態(tài)仿真波形與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出，新模型的仿真波形與實(shí)測(cè)波形吻合較好，而制造商模型的仿真波結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果具有更快的響應(yīng)速度。這種改進(jìn)主要?dú)w功于非線性電容模型在新SPICE模型中的成功應(yīng)用。

表Ⅱ總結(jié)了dvDS /dt、diD/dt在開通和關(guān)斷米勒平臺(tái)時(shí)的兩種模型對(duì)比。

高頻漏電流的對(duì)比直接反映了兩種模型的dvDS /dt。

圖3：漏極電流為20A時(shí)的仿真與實(shí)測(cè)開關(guān)波形對(duì)比

表Ⅱ：dvDS/dt和diD/dt對(duì)比

本文對(duì)分立SiCMOSFET器件的兩種SPICE模型做了對(duì)比研究。結(jié)果顯示，新模型相對(duì)于制造商模型在開關(guān)波形、dvDS /dt、diD/dt和對(duì)散熱器高頻漏電流方面的精確度有顯著的提高。新模型的優(yōu)異性能表明最新SPICE建模技術(shù)還有很大發(fā)展空間。

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