基于圖形化修正的SiC MOSFET等效建模方法

王梓丞, 賴耀康, 王浩南, 曹玉峰, 葉雪榮, 翟國富

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電器與電子可靠性研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001;2.北京科通電子繼電器有限公司設(shè)計(jì)中心, 北京 100176)

0 引 言

近幾年,由于技術(shù)成熟度較高,以SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件,在一些應(yīng)用領(lǐng)域開始逐步取代硅基電力電子器件。相較于傳統(tǒng)的Si MOSFET,SiC MOSFET具有更低的通態(tài)損耗,更小的開關(guān)損耗和更高的耐壓、耐流、耐高溫特性[1]。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中,為了更準(zhǔn)確地評估SiC MOSFET的性能和系統(tǒng)特性,研發(fā)人員往往需要搭建器件的快速仿真模型,包括靜態(tài)特性模型與動態(tài)響應(yīng)模型。因此,將SiC MOSFET準(zhǔn)確建模是產(chǎn)品仿真、研發(fā)和檢測等領(lǐng)域的關(guān)鍵步驟[2]。

針對如何提高SiC MOSFET SPICE模型建模精度這個問題,文獻(xiàn)[3]通過實(shí)驗(yàn)測試了SiC MOSFET的靜態(tài)、動態(tài)特性,并重點(diǎn)研究基于Datasheet建立的SiC MOSFET模型,通過曲線擬合靜態(tài)仿真模型,再通過在MATLAB軟件中編寫M語言建立動態(tài)仿真模型,并將仿真結(jié)果與Datasheet中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。這種利用仿真曲線和Datasheet實(shí)測曲線進(jìn)行對比驗(yàn)證的方法應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[4]基于Saber的MOSFET建模工具,借助各部分參數(shù)的數(shù)學(xué)模型建立了較為精準(zhǔn)的等效電路模型,并應(yīng)用在光伏并網(wǎng)逆變器中。以上研究在建模過程中缺乏理論分析的定性指導(dǎo),且所使用的方法較為繁瑣,但對本文有很好的啟發(fā)作用。

綜上,國內(nèi)正在進(jìn)行SiC MOSFET SPICE模型的建模研究,重點(diǎn)關(guān)注在建立SiC MOSFET SPICE模型的過程中如何提升建模精度。本文介紹一種利用Saber軟件圖形化修正SiC MOSFET SPICE模型的方法,可用直觀便捷的圖形化調(diào)節(jié)方法,輔助以理論和規(guī)律驗(yàn)證,使所建模型更加貼近實(shí)際效果。該方法在SiC MOSFET產(chǎn)品的生產(chǎn)與測試方面有較大意義。

1 SiC MOSFET常規(guī)Saber模型及誤差分析

Saber軟件是一款先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件,其采用5種不同的算法依次對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,一旦其中某一種算法失敗,Saber將自動采用下一種算法,在仿真精度和仿真時間上進(jìn)行平衡,保證在最短的時間內(nèi)獲得最高的仿真精度。其仿真產(chǎn)生的.sin網(wǎng)表可便捷地被其他仿真軟件調(diào)用,聯(lián)合仿真快速便捷。相比于其他仿真軟件,Saber具有集成度高、收斂性分析性能強(qiáng)、圖形查看直觀、仿真精度高等突出優(yōu)勢,在系統(tǒng)快速仿真分析中被廣泛使用。

本文應(yīng)用Saber的建模工具Power MOSFET Tool對SiC MOSFET進(jìn)行建模。其中Power MOSFET Tool提供了數(shù)據(jù)擬合工具。只需將本項(xiàng)目使用的SiC MOSFET的輸入輸出特性曲線輸入到工具中,并運(yùn)用多項(xiàng)式插值、自動擬合與手動擬合相結(jié)合的方法即可得到與其開關(guān)特性相關(guān)的重要參數(shù),方法直觀便捷,其中手動擬合中使用的圖形化調(diào)整方法是其他仿真軟件無法實(shí)現(xiàn)的。

利用Saber軟件中Model Architect工具構(gòu)建SiC MOSFET SPICE基本模型。SiC MOSFET模型如圖1所示。SiC MOSFET的本體主要包括理想MOSFET開關(guān)以及柵、源、漏極的等效電阻,分別為Rg、Rs、Rd,主要決定著MOSFET的靜態(tài)特性[5]。SiC MOSFET的寄生電容主要包括Cgd、Cgs、Cds,主要決定著MOSFET的動態(tài)特性。基于SiC MOSFET的原理結(jié)構(gòu),存在一個反向的P-N結(jié)結(jié)構(gòu),相當(dāng)于將理想MOSFET并聯(lián)一個反向二極管,稱之為體二極管,主要會影響SiC MOSFET的反向特性。

圖1 SiC MOSFET模型

SiC MOSFET模型必然會在特性曲線的部分區(qū)段與實(shí)際產(chǎn)品產(chǎn)生差異。首先,很多建模參數(shù)是等效參數(shù),如柵極等效電阻、漏級等效電阻和源極等效電阻等,廠家無法提供,沒有辦法通過輸入這部分參數(shù)來調(diào)整建模精度。

其次,建模過程中的自動過程只是減少仿真曲線和實(shí)測曲線整體上的差異點(diǎn)數(shù),在局部會遺留下未能減小的差異。并且在減小差異的過程中,各型號元件較多,不可能將SiC MOSFET模型與實(shí)際元件的個性化差異消除。因此,SiC MOSFET模型必然在特性曲線的部分區(qū)段與實(shí)際產(chǎn)品產(chǎn)生較大差異,在電流電壓不斷增大時,其相對誤差明顯會超過10%,對實(shí)際工程應(yīng)用產(chǎn)生較大影響。模型仿真曲線和實(shí)測曲線的差異如圖2所示。

圖2 模型仿真曲線和實(shí)測曲線的差異

在建模仿真和實(shí)際應(yīng)用中,一般需要SiC MOSFET在期望的工況下工作。由于整體差異消除存在困難,所以在期望的SiC MOSFET的工況下(如一定的電流、溫度條件),盡量減小SiC MOSFET模型的特性曲線與實(shí)際產(chǎn)品的實(shí)測曲線的局部差異,得到擬合效果最好的SiC MOSFET模型。

此時傳統(tǒng)方法中通過自動擬合很難得到所需要的精確模型。由此,可以根據(jù)自動擬合產(chǎn)生的SiC MOSFET建模的關(guān)鍵參數(shù),結(jié)合其物理含義和客觀規(guī)律,利用手動調(diào)整的方法繼續(xù)修正自動擬合得到的仿真模型。稱這種方法為考慮物理意義的SiC MOSFET模型參數(shù)圖形化修正方法。Saber仿真軟件為這種方法提供了相關(guān)工具。

2 考慮物理意義的SiC MOSFET模型參數(shù)圖形化修正方法

在銷售SiC MOSFET器件時,廠家會提供記錄有產(chǎn)品工作參數(shù)和特性曲線的Datasheet。在調(diào)整錨點(diǎn)位置和參考曲線斜率使模型曲線和Datasheet導(dǎo)入的實(shí)測曲線逐漸貼合時,可供調(diào)整的錨點(diǎn)位置和曲線斜率并不唯一且相互關(guān)聯(lián),很可能會因?yàn)槟炒螌我灰蛩氐恼{(diào)整而使某些參數(shù)超出理論依據(jù)指導(dǎo)的范疇。

因此首先需要通過分析物理規(guī)律,關(guān)注參數(shù)面板內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)是否在合理的范圍內(nèi)變化。變化范圍可以由SiC MOSFET固有的特性規(guī)律和廠家提供的Datasheet中的參數(shù)范圍來確定?？紤]物理意義的SiC MOSFET模型圖形化修正方法如圖3所示。

圖3 考慮物理意義的SiC MOSFET模型圖形化修正方法

溝道調(diào)制效應(yīng)參數(shù)λ代表通道長度相對變化,長通道時其值非常小,可以視為零。因此在

圖形化修正過程中,其在接近0的數(shù)值上變化。在修正過程中不能使其增長過大。

(1)

式中:λ——溝道調(diào)制相應(yīng)系數(shù);

L——溝道長度;

ΔL——溝道長度因溝道調(diào)制效應(yīng)的改變量;

UDS——漏源電壓。

其次,在建立同一元件不同溫度下的模型時,可結(jié)合現(xiàn)有理論分析參數(shù)隨溫度變化規(guī)律,觀察參數(shù)窗口各對應(yīng)參數(shù)的變化,并根據(jù)其隨溫度變化規(guī)律手動調(diào)節(jié)錨點(diǎn)位置和參考直線斜率。通過理論分析得到重要參數(shù)隨溫度等因素的變化關(guān)系,指導(dǎo)圖形化修正的方向和幅度。

根據(jù)SiC MOSFET工作原理[6],閾值電壓Uth隨溫度的變化規(guī)律是呈現(xiàn)線性減小的:

UT(T1)=UT0+UT1(T1-T0)

(2)

式中:T1——實(shí)際溫度;

T0——參考溫度;

UT(T1)——實(shí)際溫度下的閾值電壓;

UT0——參考溫度下的閾值電壓;

UT1——閾值電壓溫度變化系數(shù)。

此規(guī)律可以指導(dǎo)建立不同溫度下模型時,通過移動錨點(diǎn)調(diào)節(jié)過程中,閾值電壓Uth的調(diào)節(jié)幅度和方向。

下面介紹針對導(dǎo)通電阻Rds(on)的調(diào)整。當(dāng)柵源電壓Ugs低于閾值電壓Uth時,SiC MOSFET截止,漏極電流Id為零。當(dāng)柵源電壓Ugs高于閾值電壓Uth時,SiC MOSFET正常工作。SiC MOSFET工作區(qū)域可分為兩種情況。如果內(nèi)部漏源電壓Uds>(Ugs-Uth),則MOSFET在飽和區(qū)域工作,否則在線性區(qū)域工作[7]。

在飽和區(qū)域,漏極電流可寫為

Id=0.5KP(1+λUds)(Ugs-IdRs-Uth)2

(3)

在線性區(qū)域中,漏極電流可以寫為

Id=KP(1+λUds)(Ugs-Uth-IdRs-0.5Uds)Uds

(4)

式中:Uth——閾值電壓;

KP——跨導(dǎo)參數(shù);

λ——溝道調(diào)制效應(yīng)參數(shù);

Rs——源極的等效電阻。

要得到導(dǎo)通電阻Rds(on)的變化規(guī)律,需要簡化式(4)。由于λ過小,且在線性區(qū)域0.5Uds與(Ugs-Uth)相比較小,因此可以忽略。此時公式轉(zhuǎn)化為

Id=KP(Ugs-Uth-IdRs)Uds

(5)

在器件導(dǎo)通期間,漏極-源極電壓包括SiC MOSFET通道兩端的電壓,沿漂移區(qū)電阻的壓降以及串聯(lián)漏極電阻的壓降。沿SiC MOSFET結(jié)構(gòu)的壓降在模型中表示為從屬電壓源。

Udds=Uds+(Rb+Rs)Id

(6)

通過在外部漏極和源極之間施加1 V電壓

Id=1/Rds(on)

(7)

Uds=1-(Rd+Rs)/Rds(on)

(8)

可以得出以下等式:

Rds(on)=Rd+Rs+1/[KP(Ugs-Uth-Rs/Rds(on)]

(9)

并且根據(jù)現(xiàn)有理論[8],隨著溫度升高,跨導(dǎo)KP(Tj)會減小。

(10)

式中:KP(Tj)——實(shí)際溫度下的跨導(dǎo);

KP0——參考溫度下的跨導(dǎo);

KP1——跨導(dǎo)溫度變化系數(shù)。

隨著跨導(dǎo)KP(Tj)的減小,漏源電流Id會減小,而導(dǎo)通電阻Rds(on)會增大。此規(guī)律可以指導(dǎo)在調(diào)節(jié)過程中有關(guān)導(dǎo)通電阻Rds(on)的調(diào)整。

在調(diào)節(jié)時可以依據(jù)上述由理論分析得到的參數(shù)預(yù)期變化指導(dǎo)調(diào)節(jié)的幅度和方向,結(jié)合理論分析參數(shù)的變化規(guī)律,檢查圖形化修正過程中錨點(diǎn)位置和參考曲線的修改方向、幅度是否合理。

3 SiC MOSFET等效模型的圖形化修正及驗(yàn)證

3.1 SiC MOSFET等效建模

SiC MOSFET建模對象型號CPM3-0900-0010A。其最大漏源電壓為900 V,最大剩余電流為196 A(25 ℃),導(dǎo)通電阻為10 mΩ,預(yù)期工作電流為20 A。

利用Saber仿真軟件的Model Architect工具中Scanned Data Utility密集取點(diǎn)和繪制曲線的功能,將廠家提供的產(chǎn)品實(shí)測數(shù)據(jù)Datasheet輸入仿真軟件。芯片手冊提供的輸入特性曲線如圖4所示;芯片手冊提供的輸出特性曲線如圖5所示。

圖4 芯片手冊提供的輸入特性曲線

圖5 芯片手冊提供的輸出特性曲線

利用Saber仿真軟件的Model Architect工具中Optimizer Utility自動擬合功能進(jìn)行初步自動擬合。在擬合過程中仿真軟件的仿真曲線與剛剛導(dǎo)入的實(shí)測曲線逐漸貼合,SiC MOSFET建模關(guān)鍵參數(shù)(25 ℃)如表1所示。

表1 SiC MOSFET建模關(guān)鍵參數(shù) (25 ℃)

這些參數(shù)對于后續(xù)建模修正過程中分析參數(shù)變化規(guī)律以確保修正正確具有重要意義。

選取Saber軟件中Model Architect工具提供的Toggle Anchor Objects錨點(diǎn)工具,顯示出錨點(diǎn)信息。同時Saber軟件會提供模型的多條參考曲線。在Saber軟件中,參考曲線的斜率、截距和錨點(diǎn)均可手動靈活調(diào)節(jié)。

在輸入特性曲線中,錨點(diǎn)處表示閾值電壓Uth,參考直線斜率的倒數(shù)為源極等效電阻Rs。輸入特性曲線及其參考曲線如圖6所示。

圖6 輸入特性曲線及其參考曲線

在調(diào)節(jié)模型輸入特性曲線時,應(yīng)首先關(guān)注錨點(diǎn)位置,調(diào)節(jié)閾值電壓Uth。通過左右移動錨點(diǎn)位置,使閾值電壓Uth的值取在1.7～3.5 V,以符合Datasheet中閾值電壓Uth的合理范圍。在建立不同溫度下的模型時,還要注意閾值電壓Uth隨溫度的升高而減小。然后調(diào)節(jié)參考直線的斜率,使模型的輸入特性曲線與Datasheet中的實(shí)測曲線在所需要的工況附近緊密貼合。本產(chǎn)品所需要的工況為Id=20 A。

在輸出特性曲線中,錨點(diǎn)處表示飽和點(diǎn),顯示飽和時的漏源電壓Uds0和飽和時的漏源電流Ids0。在輸出特性曲線中有3條參考曲線,其中上方的參考直線1斜率的倒數(shù)為漏極等效電阻Rd;中間的參考直線2斜率的倒數(shù)為導(dǎo)通電阻Rds0;下方的參考直線3斜率為溝道調(diào)制效應(yīng)參數(shù)λ。輸出特性曲線及其參考曲線如圖7所示。

圖7 輸出特性曲線及其參考曲線

用自動擬合和手動擬合在調(diào)節(jié)模型輸出特性曲線時,同樣首先關(guān)注錨點(diǎn)位置,通過左右移動錨點(diǎn)位置,調(diào)整模型輸出特性曲線的5條曲線,使其與實(shí)測曲線基本貼合;再調(diào)節(jié)參考曲線2的斜率,使導(dǎo)通電阻Rds0的取值在10～12 mΩ,以符合Datasheet中導(dǎo)通電阻Rds0的合理范圍;然后調(diào)節(jié)參考曲線3的斜率,使其在不影響曲線貼合度的基礎(chǔ)上,對應(yīng)的溝道調(diào)制效應(yīng)系數(shù)λ盡量小,以符合物理規(guī)律;最后調(diào)整參考直線1的斜率,同樣使模型的輸出特性曲線在Id=20 A附近緊密貼合。

自動和手動相結(jié)合的方式,根據(jù)SiC MOSFET 廠家提供的Datasheet實(shí)測參數(shù)圖線,依據(jù)物理規(guī)律調(diào)節(jié)錨點(diǎn)的位置和參考直線的斜率,使仿真模型的特性曲線與實(shí)測參數(shù)曲線在需要的工況下逐漸吻合,反復(fù)修正后得出準(zhǔn)確的SiC MOSFET SPICE模型。

3.2 模型的驗(yàn)證

調(diào)整后的曲線產(chǎn)生了新的參數(shù),關(guān)鍵參數(shù)在調(diào)整后和Datasheet中提供的實(shí)測參數(shù)更加接近,閾值電壓和導(dǎo)通電阻均調(diào)整到了合理范圍。SiC MOSFET部分建模關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 SiC MOSFET部分建模關(guān)鍵參數(shù)

綜上,圖形化修正后的特性曲線在直觀上和實(shí)際需要的工況下更好貼合,所得到的建模參數(shù)也更加符合Datasheet中所提供的實(shí)測數(shù)據(jù)。以上結(jié)果證明本文建模方法是準(zhǔn)確的,可以運(yùn)用這種方法建立沒有仿真模型的SiC MOSFET,也可以將自建的模型應(yīng)用于其他仿真軟件,為復(fù)雜系統(tǒng)的搭建提供仿真理論依據(jù)。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于Saber軟件的SiC MOSFET SPICE模型圖形化修正方法,修正方法直觀便捷、快速準(zhǔn)確。這種方法避免了建模時由于部分輸入?yún)?shù)是等效參數(shù),廠家無法提供引發(fā)的問題。結(jié)合實(shí)際理論、客觀規(guī)律和實(shí)際測試結(jié)果,對所建SiC MOSFET SPICE模型進(jìn)行了分析與驗(yàn)證,提高了仿真模型的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過圖形化修正的模型,可以更好地在實(shí)際溫度環(huán)境下,與實(shí)際測試曲線相貼合。在改變溫度時,可以應(yīng)用同樣的方法進(jìn)行建模修正,方法易于推廣,可以為含有SiC MOSFET的復(fù)雜電路仿真方法提供依據(jù),為更準(zhǔn)確地評估SiC MOSFET的性能和系統(tǒng)特性提供支持。