碳化硅功率场效应功率晶体管仿真模型及其驱动研究

郝夏斐，潘三博

（安阳师范学院，安阳 455002）

碳化硅功率场效应功率晶体管仿真模型及其驱动研究

郝夏斐，潘三博

（安阳师范学院，安阳 455002）

0 引言

碳化硅半导体器件具有耐压高、通态电阻低、漏电流小、开关速度高、电流密度高、耐高温等优点，这决定了它在高温、高频率、高功率的应用场合是理想的下一代电力电子器件[1]。近年来，国内外对碳化硅结型场效应功率晶体管在高性能电力电子装置的应用开始了探索性的研究[2,3]。本文从功率半导体结构出发，通过对静态、动态参数的测量，计算出器件耗尽层宽度等半导体参数，建立了碳化硅结型场效应功率晶体管的仿真模型。通过器件高速开关瞬态时的电路模型的仿真分析，分析了器件开关速度、通态特性、开关瞬间的驱动电路震荡、高速开关时dv/dt所产生的较大容性电流对驱动电路影响，建立了器件驱动电路模型。仿真结果验证了驱动电路的有效性。

1 碳化硅器件及驱动电路模型

如图1所示为碳化硅结型场效应功率晶体管的半导体结构图。从图中可以看出，器件由2个欧姆接触的一条导电沟道组成，另外一个电极，栅极，通过改变耗尽层的宽度来控制沟道。

器件的主要尺寸是沟道长度WG，耗尽层宽度W。该器件是常通型器件，在常态下栅源电压为零时导通，栅源极之间需要需要负压使得导电沟道关断。

图1 碳化硅结型场效应功率晶体管结构图

采用缓变沟道近似理论等半导体器件分析的一般简化分析，设定：1）载流子的移动速度保持恒定。2）在栅结势垒中主要是垂直沟道的电场的作用, 而沿着沟道方向的电场很弱，沟道宽度沿着沟道方向基本上不变或缓变。3）在沟道中主要是沟道方向的电场的作用,沟道宽度沿着沟道方向是缓变的。

设Vgs为栅源电压，Vds为漏源电压，Ids为漏源电流，Vbi为势垒电压，q为电子电量， Vp为 沟道夹断电压，Vc(x)为通道电势，ε为导电常数，Nd为衬底掺杂密度。G0是扩展系数。

由设定2）知，栅结势垒宽度只受到垂直沟道的电场的控制，求解泊松方程即可得到耗尽层宽度

由设定3）知，沟道电流Id主要是受到沟道方向电场的控制。

器件开通前，即

1.1 器件的静态特性

器件的导通电阻Ron是非常重要的一个参数，它反应了器件的通态损耗的大小。它包括源极接触电阻Rcs，源极电阻RN+，漏极接触电阻RCD，沟道电阻Rd等，其中Rd是主要部分[4]。设Wbz为零偏压时集区宽度，Wgd为GD间耗尽层的宽度。µ为电子迁移率，Ag为栅漏叠区面积，As为栅源叠区面积，As为栅源面积因子，有

值得注意的是，结型场效应管是电流双向导通器件，Vgs满足开通条件时，当Vds大于零时，电流方向为正，此时的沟道电阻为正向电阻，当Vds小于零时，电流方向为负，此时的沟道电阻为反向电阻。与常用的功率MOSFET器件类似，通常在碳化硅结型场效应功率晶体管两端并联一个反向的碳化硅肖特基二极管，碳化硅器件本身的反向恢复时间比较短，反向恢复过程几乎可以忽略[5]。通过反并联肖特基二极管，使得器件的导通压降比体内寄生二极管有很大改善。

1.2 器件的动态特性

图2所示为碳化硅结型场效应晶体管的等效电路[6]，有关器件开关过程的重要动态参数包含栅源极等效电容Cgs与栅漏极等效电容Cgd。

由式（1）得栅源、栅漏极耗尽层宽度为

图2 碳化硅结型场效应晶体管等效电路

1.3 驱动等效电路

图3为碳化硅结型场效应功率晶体管的驱动电路，驱动电路要求高速光耦实现电压隔离，同时满足高速开关时dv/dt的需要[7]，Tr1与Tr2组成的图腾柱输出，增加电流驱动能力，提高驱动速度，Vp为正的驱动电压，Vss为负的关断电压。驱动输出既结构简单，又具有较好的开关特性与抑制驱动震荡与电流尖峰的能力。1

图3 驱动电路简图

设Qplt为器件的米勒电荷，Vplt为米勒区电压，有驱动压降

2 仿真与实验研究

在选取以下参数：Vp＝ -18V，Vbi＝ 2.8V，Go＝ 10欧 姆-1，Wbz＝ 80×10-4cm，ε＝ 10.1，µ ＝ 0.76，Nd＝ 1016/cm3，Ag＝ 0.01cm2，As＝0.02cm2，fcsj＝0.5建立器件的仿真模型，建立图4的器件测试电路，得到图5器件的导通电阻测试值与仿真结果。

图4 测试电路图

由参数设定，可得以下仿真模型：

.model SiCJFET1 NJF(Beta=0.095 Betatc e=0 Rd=0.05 Rs=0.25 Lambda=31.77m Vto=-22 Vtotc=0 Is=10f Isr=0 N=1 Nr=2 Xti=3 Alph a=20.98u Vk=123.7 Cgd=100p M=.5 Pb=1 Fc=.5 Cgs=1000p Kf=50E-18 Af=1) 。图6、图7为器件的开通与关断过程的仿真图。图8、图9为器件开关测试图。图10为不同电阻值时的驱动电压降。

图5 导通电阻测试值与仿真值

图6 开通仿真波形

图7 关断仿真波形

如图5所示，器件导通电阻仿真结果与实际测量结果非常一致。图8，图9所测开关波形与图6，图7的仿真波形也相一致，图10所示在图3驱动电路中，不同的Roff/Ron比值对驱动电压降的影响。

图8 开通测试波形

图9 关断测试波形

3 结论

本文通过在对碳化硅结型场效应功率晶体管的静态、动态特性进行半导体物理分析的基础上建立仿真模型，仿真分析了器件的通态电阻与开关波形，结合实验测试进行了验证。并研究了不同驱动电阻对驱动电路压降的影响。仿真结果与测试结果相一致，表明模型的建立理论上是正确的，实际参数的选择是准确的。仿真与测试结果还表明碳化硅结型场效应功率晶体管具有通态电阻低、开关速度高等优点，是理想的新型电力电子器件。

图10 不同Roff /Ron时的驱动电压降

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Research of silicon carbide power JFET simulation model and its drive

HAO Xia-fei, PAN San-bo

研究碳化硅结型场效应功率晶体管的静、动态性能及仿真模型，针对高速开关时的碳化硅器件开关震荡，提出有效抑制震荡与减小容性电流影响的碳化硅功率晶体管驱动电路。在分析器件半导体物理结构、测量碳化硅器件特性参数的基础上建立器件仿真模型，通过器件开关特性的仿真，分析了电路的驱动电压、开关速度、dv/dt及不同的驱动情况下对驱动电路压降的影响。结果表明，碳化硅结型场效应功率晶体管具有通态电阻低、损耗小、开关速度高的特点，驱动电路能有效地工作于高频状态下，开关震荡小，有利于器件应用在高性能的电力电子装置中。

碳化硅；结型场效应晶体管；开关特性；驱动

郝夏斐（1975－），女，河南禹州人，讲师，研究方向为计算机仿真与应用。

TN323

A

1009-0134(2011)4(下)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).30

2010-12-25

河南省科技厅科技发展计划项目（102102210212）