基于图形化修正的SiC MOSFET等效建模方法

王梓丞, 赖耀康, 王浩南, 曹玉峰, 叶雪荣, 翟国富

(1.哈尔滨工业大学 电器与电子可靠性研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001;2.北京科通电子继电器有限公司设计中心, 北京 100176)

0 引 言

近几年,由于技术成熟度较高,以SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体电力电子器件,在一些应用领域开始逐步取代硅基电力电子器件。相较于传统的Si MOSFET,SiC MOSFET具有更低的通态损耗,更小的开关损耗和更高的耐压、耐流、耐高温特性[1]。

在实际的工程应用中,为了更准确地评估SiC MOSFET的性能和系统特性,研发人员往往需要搭建器件的快速仿真模型,包括静态特性模型与动态响应模型。因此,将SiC MOSFET准确建模是产品仿真、研发和检测等领域的关键步骤[2]。

针对如何提高SiC MOSFET SPICE模型建模精度这个问题,文献[3]通过实验测试了SiC MOSFET的静态、动态特性,并重点研究基于Datasheet建立的SiC MOSFET模型,通过曲线拟合静态仿真模型,再通过在MATLAB软件中编写M语言建立动态仿真模型,并将仿真结果与Datasheet中的数据进行对比验证。这种利用仿真曲线和Datasheet实测曲线进行对比验证的方法应用广泛。文献[4]基于Saber的MOSFET建模工具,借助各部分参数的数学模型建立了较为精准的等效电路模型,并应用在光伏并网逆变器中。以上研究在建模过程中缺乏理论分析的定性指导,且所使用的方法较为繁琐,但对本文有很好的启发作用。

综上,国内正在进行SiC MOSFET SPICE模型的建模研究,重点关注在建立SiC MOSFET SPICE模型的过程中如何提升建模精度。本文介绍一种利用Saber软件图形化修正SiC MOSFET SPICE模型的方法,可用直观便捷的图形化调节方法,辅助以理论和规律验证,使所建模型更加贴近实际效果。该方法在SiC MOSFET产品的生产与测试方面有较大意义。

1 SiC MOSFET常规Saber模型及误差分析

Saber软件是一款先进的系统仿真软件,其采用5种不同的算法依次对系统进行仿真,一旦其中某一种算法失败,Saber将自动采用下一种算法,在仿真精度和仿真时间上进行平衡,保证在最短的时间内获得最高的仿真精度。其仿真产生的.sin网表可便捷地被其他仿真软件调用,联合仿真快速便捷。相比于其他仿真软件,Saber具有集成度高、收敛性分析性能强、图形查看直观、仿真精度高等突出优势,在系统快速仿真分析中被广泛使用。

本文应用Saber的建模工具Power MOSFET Tool对SiC MOSFET进行建模。其中Power MOSFET Tool提供了数据拟合工具。只需将本项目使用的SiC MOSFET的输入输出特性曲线输入到工具中,并运用多项式插值、自动拟合与手动拟合相结合的方法即可得到与其开关特性相关的重要参数,方法直观便捷,其中手动拟合中使用的图形化调整方法是其他仿真软件无法实现的。

利用Saber软件中Model Architect工具构建SiC MOSFET SPICE基本模型。SiC MOSFET模型如图1所示。SiC MOSFET的本体主要包括理想MOSFET开关以及栅、源、漏极的等效电阻,分别为Rg、Rs、Rd,主要决定着MOSFET的静态特性[5]。SiC MOSFET的寄生电容主要包括Cgd、Cgs、Cds,主要决定着MOSFET的动态特性。基于SiC MOSFET的原理结构,存在一个反向的P-N结结构,相当于将理想MOSFET并联一个反向二极管,称之为体二极管,主要会影响SiC MOSFET的反向特性。

图1 SiC MOSFET模型

SiC MOSFET模型必然会在特性曲线的部分区段与实际产品产生差异。首先,很多建模参数是等效参数,如栅极等效电阻、漏级等效电阻和源极等效电阻等,厂家无法提供,没有办法通过输入这部分参数来调整建模精度。

其次,建模过程中的自动过程只是减少仿真曲线和实测曲线整体上的差异点数,在局部会遗留下未能减小的差异。并且在减小差异的过程中,各型号元件较多,不可能将SiC MOSFET模型与实际元件的个性化差异消除。因此,SiC MOSFET模型必然在特性曲线的部分区段与实际产品产生较大差异,在电流电压不断增大时,其相对误差明显会超过10%,对实际工程应用产生较大影响。模型仿真曲线和实测曲线的差异如图2所示。

图2 模型仿真曲线和实测曲线的差异

在建模仿真和实际应用中,一般需要SiC MOSFET在期望的工况下工作。由于整体差异消除存在困难,所以在期望的SiC MOSFET的工况下(如一定的电流、温度条件),尽量减小SiC MOSFET模型的特性曲线与实际产品的实测曲线的局部差异,得到拟合效果最好的SiC MOSFET模型。

此时传统方法中通过自动拟合很难得到所需要的精确模型。由此,可以根据自动拟合产生的SiC MOSFET建模的关键参数,结合其物理含义和客观规律,利用手动调整的方法继续修正自动拟合得到的仿真模型。称这种方法为考虑物理意义的SiC MOSFET模型参数图形化修正方法。Saber仿真软件为这种方法提供了相关工具。

2 考虑物理意义的SiC MOSFET模型参数图形化修正方法

在销售SiC MOSFET器件时,厂家会提供记录有产品工作参数和特性曲线的Datasheet。在调整锚点位置和参考曲线斜率使模型曲线和Datasheet导入的实测曲线逐渐贴合时,可供调整的锚点位置和曲线斜率并不唯一且相互关联,很可能会因为某次对单一因素的调整而使某些参数超出理论依据指导的范畴。

因此首先需要通过分析物理规律,关注参数面板内的关键参数是否在合理的范围内变化。变化范围可以由SiC MOSFET固有的特性规律和厂家提供的Datasheet中的参数范围来确定。考虑物理意义的SiC MOSFET模型图形化修正方法如图3所示。

图3 考虑物理意义的SiC MOSFET模型图形化修正方法

沟道调制效应参数λ代表通道长度相对变化,长通道时其值非常小,可以视为零。因此在

图形化修正过程中,其在接近0的数值上变化。在修正过程中不能使其增长过大。

(1)

式中:λ——沟道调制相应系数;

L——沟道长度;

ΔL——沟道长度因沟道调制效应的改变量;

UDS——漏源电压。

其次,在建立同一元件不同温度下的模型时,可结合现有理论分析参数随温度变化规律,观察参数窗口各对应参数的变化,并根据其随温度变化规律手动调节锚点位置和参考直线斜率。通过理论分析得到重要参数随温度等因素的变化关系,指导图形化修正的方向和幅度。

根据SiC MOSFET工作原理[6],阈值电压Uth随温度的变化规律是呈现线性减小的:

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

(2)

式中:T1——实际温度;

T0——参考温度;

UT(T1)——实际温度下的阈值电压;

UT0——参考温度下的阈值电压;

UT1——阈值电压温度变化系数。

此规律可以指导建立不同温度下模型时,通过移动锚点调节过程中,阈值电压Uth的调节幅度和方向。

下面介绍针对导通电阻Rds(on)的调整。当栅源电压Ugs低于阈值电压Uth时,SiC MOSFET截止,漏极电流Id为零。当栅源电压Ugs高于阈值电压Uth时,SiC MOSFET正常工作。SiC MOSFET工作区域可分为两种情况。如果内部漏源电压Uds>(Ugs-Uth),则MOSFET在饱和区域工作,否则在线性区域工作[7]。

在饱和区域,漏极电流可写为

Id=0.5KP(1+λUds)(Ugs-IdRs-Uth)2

(3)

在线性区域中,漏极电流可以写为

Id=KP(1+λUds)(Ugs-Uth-IdRs-0.5Uds)Uds

(4)

式中:Uth——阈值电压;

KP——跨导参数;

λ——沟道调制效应参数;

Rs——源极的等效电阻。

要得到导通电阻Rds(on)的变化规律,需要简化式(4)。由于λ过小,且在线性区域0.5Uds与(Ugs-Uth)相比较小,因此可以忽略。此时公式转化为

Id=KP(Ugs-Uth-IdRs)Uds

(5)

在器件导通期间,漏极-源极电压包括SiC MOSFET通道两端的电压,沿漂移区电阻的压降以及串联漏极电阻的压降。沿SiC MOSFET结构的压降在模型中表示为从属电压源。

Udds=Uds+(Rb+Rs)Id

(6)

通过在外部漏极和源极之间施加1 V电压

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)

并且根据现有理论[8],随着温度升高,跨导KP(Tj)会减小。

(10)

式中:KP(Tj)——实际温度下的跨导;

KP0——参考温度下的跨导;

KP1——跨导温度变化系数。

随着跨导KP(Tj)的减小,漏源电流Id会减小,而导通电阻Rds(on)会增大。此规律可以指导在调节过程中有关导通电阻Rds(on)的调整。

在调节时可以依据上述由理论分析得到的参数预期变化指导调节的幅度和方向,结合理论分析参数的变化规律,检查图形化修正过程中锚点位置和参考曲线的修改方向、幅度是否合理。

3 SiC MOSFET等效模型的图形化修正及验证

3.1 SiC MOSFET等效建模

SiC MOSFET建模对象型号CPM3-0900-0010A。其最大漏源电压为900 V,最大剩余电流为196 A(25 ℃),导通电阻为10 mΩ,预期工作电流为20 A。

利用Saber仿真软件的Model Architect工具中Scanned Data Utility密集取点和绘制曲线的功能,将厂家提供的产品实测数据Datasheet输入仿真软件。芯片手册提供的输入特性曲线如图4所示;芯片手册提供的输出特性曲线如图5所示。

图4 芯片手册提供的输入特性曲线

图5 芯片手册提供的输出特性曲线

利用Saber仿真软件的Model Architect工具中Optimizer Utility自动拟合功能进行初步自动拟合。在拟合过程中仿真软件的仿真曲线与刚刚导入的实测曲线逐渐贴合,SiC MOSFET建模关键参数(25 ℃)如表1所示。

表1 SiC MOSFET建模关键参数 (25 ℃)

这些参数对于后续建模修正过程中分析参数变化规律以确保修正正确具有重要意义。

选取Saber软件中Model Architect工具提供的Toggle Anchor Objects锚点工具,显示出锚点信息。同时Saber软件会提供模型的多条参考曲线。在Saber软件中,参考曲线的斜率、截距和锚点均可手动灵活调节。

在输入特性曲线中,锚点处表示阈值电压Uth,参考直线斜率的倒数为源极等效电阻Rs。输入特性曲线及其参考曲线如图6所示。

图6 输入特性曲线及其参考曲线

在调节模型输入特性曲线时,应首先关注锚点位置,调节阈值电压Uth。通过左右移动锚点位置,使阈值电压Uth的值取在1.7～3.5 V,以符合Datasheet中阈值电压Uth的合理范围。在建立不同温度下的模型时,还要注意阈值电压Uth随温度的升高而减小。然后调节参考直线的斜率,使模型的输入特性曲线与Datasheet中的实测曲线在所需要的工况附近紧密贴合。本产品所需要的工况为Id=20 A。

在输出特性曲线中,锚点处表示饱和点,显示饱和时的漏源电压Uds0和饱和时的漏源电流Ids0。在输出特性曲线中有3条参考曲线,其中上方的参考直线1斜率的倒数为漏极等效电阻Rd;中间的参考直线2斜率的倒数为导通电阻Rds0;下方的参考直线3斜率为沟道调制效应参数λ。输出特性曲线及其参考曲线如图7所示。

图7 输出特性曲线及其参考曲线

用自动拟合和手动拟合在调节模型输出特性曲线时,同样首先关注锚点位置,通过左右移动锚点位置,调整模型输出特性曲线的5条曲线,使其与实测曲线基本贴合;再调节参考曲线2的斜率,使导通电阻Rds0的取值在10～12 mΩ,以符合Datasheet中导通电阻Rds0的合理范围;然后调节参考曲线3的斜率,使其在不影响曲线贴合度的基础上,对应的沟道调制效应系数λ尽量小,以符合物理规律;最后调整参考直线1的斜率,同样使模型的输出特性曲线在Id=20 A附近紧密贴合。

自动和手动相结合的方式,根据SiC MOSFET 厂家提供的Datasheet实测参数图线,依据物理规律调节锚点的位置和参考直线的斜率,使仿真模型的特性曲线与实测参数曲线在需要的工况下逐渐吻合,反复修正后得出准确的SiC MOSFET SPICE模型。

3.2 模型的验证

调整后的曲线产生了新的参数,关键参数在调整后和Datasheet中提供的实测参数更加接近,阈值电压和导通电阻均调整到了合理范围。SiC MOSFET部分建模关键参数如表2所示。

表2 SiC MOSFET部分建模关键参数

综上,图形化修正后的特性曲线在直观上和实际需要的工况下更好贴合,所得到的建模参数也更加符合Datasheet中所提供的实测数据。以上结果证明本文建模方法是准确的,可以运用这种方法建立没有仿真模型的SiC MOSFET,也可以将自建的模型应用于其他仿真软件,为复杂系统的搭建提供仿真理论依据。

4 结语

本文提出了一种基于Saber软件的SiC MOSFET SPICE模型图形化修正方法,修正方法直观便捷、快速准确。这种方法避免了建模时由于部分输入参数是等效参数,厂家无法提供引发的问题。结合实际理论、客观规律和实际测试结果,对所建SiC MOSFET SPICE模型进行了分析与验证,提高了仿真模型的严谨性和准确性。经过图形化修正的模型,可以更好地在实际温度环境下,与实际测试曲线相贴合。在改变温度时,可以应用同样的方法进行建模修正,方法易于推广,可以为含有SiC MOSFET的复杂电路仿真方法提供依据,为更准确地评估SiC MOSFET的性能和系统特性提供支持。