功率場效應(yīng)管高頻建模方法*

張智娟，左玉梅

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定 071003)

0 引言

隨著電力電子不斷向高頻化、小型化方向發(fā)展，具有高頻特性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的場效應(yīng)管(MOSFET)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域中的實(shí)用器件。但高頻化導(dǎo)致了器件所承受的電應(yīng)力和開關(guān)損耗的增加，不可避免地會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)[1]。為了預(yù)測和減小電磁干擾的影響，需要建立準(zhǔn)確的電路傳導(dǎo)EMI的高頻模型來進(jìn)行仿真，然而現(xiàn)有的電路仿真軟件庫中雖然有著豐富的場效應(yīng)管的模型，但在高頻工作狀態(tài)下不夠準(zhǔn)確會導(dǎo)致仿真結(jié)果的誤差，無法用于傳導(dǎo)EMI仿真的現(xiàn)狀。因此，研究和掌握功率場效應(yīng)管的高頻建模方法變得尤為重要。

1 常見的功率場效應(yīng)管建模方法

由于結(jié)構(gòu)和工藝的原因，功率MOSFET存在寄生的極間電容，包括柵漏電容 Cgd、柵源電容Cgs和漏源電容Cds，而功率MOSFET中決定其開關(guān)波形的是這3個非線性極間電容[2]。因此，建立精確的功率MOSFET高頻模型，關(guān)鍵在于正確描述這3個極間電容特性來模擬其開關(guān)波形。目前常見的功率MOSFET建模方法主要有子電路模型和集總電荷模型。

1.1 子電路模型

子電路模型以小信號LDMOS為基礎(chǔ)，在外圍增加反映功率VDMOS動態(tài)特性的非線性極間電容和反偏二極管來模擬功率MOSFET[3]。圖1所示是saber中兩種典型的功率MOSFET子電路模型 mpvl和mpv2。圖1(a)模型中的一個關(guān)鍵因素是可變電容器Cgdp，連接在柵極和漏極之間，用來描述處于耗盡狀態(tài)的柵漏電容；Cgd則描述處于積累狀態(tài)的柵漏電容；柵源電容用常電容Cgs來描述；反偏的二極管D用來描述漏源電容。圖1(b)中的模型比圖1(a)中的有所改進(jìn)，模板中的關(guān)鍵因素是可變電容Cgd和Cgs，分別為柵漏和柵源間的非線性電容。和mpv1比主要的變化是增加了Cgs這個描述其積累狀態(tài)的變量。非線性電容Cgd對應(yīng)的是圖1(a)中的Cgdp，描述的是處于耗盡狀態(tài)的柵漏電容。

圖1 子電路模型mpv1和mpv2

1.2 集總電荷模型

集總電荷的功率MOSFET模型是將功率MOSFET各區(qū)的載流子用集總電荷來表示，并分階段描述功率MOSFET各工作狀態(tài)下的集總電荷方程，從而得到能夠同時反映功率MOSFET靜動態(tài)特性的模型。當(dāng)考慮到功率場效應(yīng)管整個開關(guān)過程，包含了各工作狀態(tài)的MOSFET集總電荷模型如圖2所示[4]。產(chǎn)生柵極電容的電荷qaB、qdB和qiB集中在集總電荷節(jié)點(diǎn) 1處。同時，電荷qiB決定了電流Id的電導(dǎo)系數(shù)，還有飽和和非飽和區(qū)域的靜態(tài)特性。漏源間的體二極管使用的是包含反向恢復(fù)的Lauritzen-Ma模型來建模。開關(guān)S1表示當(dāng)漏極發(fā)生反型時體區(qū)和漏極表面的連接。開關(guān)S2表示場效應(yīng)管從截止區(qū)過渡到飽和區(qū)。

圖2 集總電荷模型

比較這兩種建模方法，集總電荷方法能獲得連續(xù)的非線性極間電容模型和較好的精度，但運(yùn)算速度比子電路模型慢，計(jì)算效率和魯棒性較差。子電路方法建模容易構(gòu)造，運(yùn)算速度和魯棒性都較好，但現(xiàn)有的這些模型在器件工作在高頻狀態(tài)時對極間電容影響方面的研究不夠[5]。鑒于以上分析考慮，采用Saber軟件自帶的建模工具M(jìn)odel Architect對功率場效應(yīng)管進(jìn)行建模。

2 Model Architect功率場效應(yīng)管建模方法

相比以上建模方法，Model Architect利用器件技術(shù)手冊提取相關(guān)特性曲線，采用自帶模型原理進(jìn)行擬合實(shí)現(xiàn)對器件的建模。功率場效應(yīng)管模型如圖3所示，包括MOSFET一級模型結(jié)構(gòu)、寄生電容、體二極管以及引線電感。主要包括I-V特性曲線、極間電容和體二極管的建模方法。

圖3 功率場效應(yīng)管模型

2.1 I-V特性曲線建模

I-V特性曲線可通過技術(shù)手冊或?qū)嶒?yàn)測得，其中包括Id-Vgs曲線與固定Vgs下Id-Vds曲線，前者展現(xiàn)了MOSFET隨柵壓升高而開通的過程，后者則展現(xiàn)了其3個特性區(qū)域的過程。將所得曲線經(jīng)過繪制后可直接輸入saber軟件中進(jìn)行曲線擬合，如圖4所示。

圖4 功率場效應(yīng)管I-V特性曲線建模

2.2 極間電容建模

MOSFET極間電容被結(jié)合起來反映對驅(qū)動源和負(fù)載的容抗。這些合成電容是：反饋電容Crss=Cgd、共源極輸入電容Ciss=Cgd+Cgs及共源極輸出電容Coss=Cgd+Cds。模型中，極間電容的模擬采取三段式分段線性化，電容通常會在某區(qū)間斜率較大而其余區(qū)間平緩。因此需要對數(shù)據(jù)尋找到兩個斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將曲線分成三段進(jìn)行擬合。通過技術(shù)手冊讀取這兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，即可輸入Saber中進(jìn)行建模，如圖5所示。

2.3 體二極管建模

Model Architect中的二極管模型是一種基于電荷控制的集總參數(shù)模型，能夠反映二極管的反向恢復(fù)等特性，物理意義明確。并且擁有曲線擬合功能，可以對模型實(shí)測曲線進(jìn)行擬合，適合于快速建模預(yù)測EMI情況的需求。二極管模型如圖 6所示，Ls是引線電感、Rs是二極管導(dǎo)通電阻，D為二極管，Cj是功率二極管雜散電容，Qrr是利用電荷存儲效應(yīng)原理來描述功率二極管反向恢復(fù)的特性。

圖5 功率場效應(yīng)管極間電容建模

在Model Architect中，二極管的建模過程分為三部分：I-V特性建模、結(jié)電容建模以及反向恢復(fù)特性建模。利用Model Architect-Diode Tool提取技術(shù)手冊上正向I-V特性曲線來描述二極管的開關(guān)特性，提取電容特性曲線來描述Cj，提取反向恢復(fù)電流曲線來描述Qrr，如圖7所示。

圖6 二極管模型

3 功率場效應(yīng)管模型特性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述所提出的建模方法，分別用mpv2模型和Model Architect建的MOSFET模型搭建逆變器電路來進(jìn)行仿真對比。電路原理圖如圖8所示，電路的輸入電壓為50 V直流電，工作頻率為1 MHz，得到的輸出電壓為±50 V的方波。在Saber中執(zhí)行DC和瞬態(tài)分析，得到MOSFET的開關(guān)波形如圖9和圖10所示。

比較結(jié)果可以看出，子電路模型mpv2在開關(guān)過程中波形較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)前后沿很陡的脈沖，表示該模型對高頻情況考慮不足，造成了一定的誤差。而利用Model Architect工具建立的MOSFET模型的仿真波形可以明顯的觀察出Vds在關(guān)斷時的沖擊，較好地模擬出了功率場效應(yīng)管的開關(guān)波形，能夠更好的用于預(yù)估電路中的EMI。

由以上分析可知，MOSFET在高頻工作模式下開關(guān)過程中電壓和電流變化率很高，造成了開關(guān)波形的畸變，這也是電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原因之一。通過saber時域仿真獲得傳導(dǎo)干擾噪聲電壓波形，對該電壓波形進(jìn)行FFT變換獲得傳導(dǎo)EMI的仿真結(jié)果，如圖11和圖12所示。

圖7 功率場效應(yīng)管體二極管建模

圖8 逆變器電路原理圖

圖9 mpv2模型的仿真開關(guān)波形

圖10 Model Architect所建MOSFET模型的仿真開關(guān)波形

由兩圖對比可知，mpv2模型與實(shí)際器件的參數(shù)有一定偏差,不能準(zhǔn)確地描述電路的實(shí)際性能，所得傳導(dǎo)干擾頻譜較為理想。采用Model Architect所建模型電路的噪聲相比圖11更為明顯，能夠相對準(zhǔn)確地描述實(shí)際硬件電路的傳導(dǎo)干擾。

圖11 逆變電路采用mpv2模型傳導(dǎo)EMI仿真頻譜

圖12 逆變電路采用Model Architect所建模型傳導(dǎo)EMI仿真頻譜

4 結(jié)論

本文首先分析了兩種常見的功率場效應(yīng)管建模方法，提出了在高頻工作狀態(tài)下可使用Model Architect對MOSFET進(jìn)行建模，并搭建了逆變器電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明Model Architect創(chuàng)建的功率場效應(yīng)管模型能夠與實(shí)際器件的特性相符，能夠滿足研究傳導(dǎo)EMI快速建模精確仿真的要求。

[1]錢照明，程肇基．電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.

[2]李龍濤．開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI建模和模型有效性評估功[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]LEONADI C，RACITI A，F(xiàn)RISINA F，et al.A new PSpice powerMOSFET model with temperature dependent parameters:evaluation of performances and comparison with available models[C].Thirty-Second IAS Annual Meeting，1997.

[4]BUDIHARDJO I，LAURIZEN P O.The lumped-charge power MOSFET model,including parameter extraction[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(3)：379-387.

[5]袁義生．功率變換器電磁干擾的建模[D]．杭州：浙江大學(xué)，2002.