關(guān)于碳化硅功率模塊建模

傳統(tǒng)的硅功率晶體管在理論上已經(jīng)被推到了極限。寬帶隙功率器件的緊湊模型對(duì)于分析和評(píng)估它們對(duì)電路和系統(tǒng)性能的影響是必要的。帶隙比硅的 1.1 eV 更寬的半導(dǎo)體已經(jīng)超越了效率、密度和工作溫度方面的限制。阻斷電壓和 R DS（on）之間的關(guān)系 取決于電壓擊穿值（SiC MOSFET 的帶隙值為 3.26 eV）。對(duì)于硅，導(dǎo)通電阻有一個(gè)下限，如圖 1 所示的等式所示。

圖 1：硅限制

該方程根據(jù)給定擊穿電壓的臨界電場(chǎng)表達(dá)了“硅極限”。

由于帶隙較大（2 MV/cm 對(duì) 0.5 MV/cm），SiC 中通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生帶間電子空穴所需的能量比 Si 高得多。

這就是為什么基于 SiC 的轉(zhuǎn)換器比基于硅的轉(zhuǎn)換器更有效地用于更高電壓級(jí)別的原因。歷史上，硅 IGBT 器件在細(xì)分市場(chǎng)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，而 SiC MOSFET 是為具有中壓水平（即 2 至 10 kV）的應(yīng)用而完美設(shè)計(jì)的。

此外，據(jù)觀察，與以效率和高功率密度而聞名的 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 能夠以更快的速度執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。這些設(shè)備因用于海軍艦艇、儲(chǔ)能系統(tǒng)和高速鐵路運(yùn)輸而聞名。

盡管如此，寬帶隙器件的極快開(kāi)關(guān)和其他優(yōu)越特性也對(duì)其應(yīng)用提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)包括大于 100 V/ns 的 dV/dt 壓擺率和在整個(gè)轉(zhuǎn)換器中普遍存在的極高相應(yīng) di/dt 壓擺率、增強(qiáng)的電磁干擾發(fā)射、具有相應(yīng)絕緣要求的高達(dá)數(shù)十千伏的單設(shè)備阻斷電壓、開(kāi)關(guān)頻率在數(shù)百千赫到兆赫范圍內(nèi)，結(jié)溫超過(guò) 200°C。

本文提及的是一款中壓 SiC MOSFET XHV-7，這是一款由 Cree Wolfspeed 制造的 6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊（圖 2）。該模型的批準(zhǔn)是通過(guò)將模型產(chǎn)量與來(lái)自雙脈沖測(cè)試的觀察波形進(jìn)行對(duì)比來(lái)執(zhí)行的，這些波形來(lái)自工作條件范圍直至模塊評(píng)估。

本文是針對(duì)中壓 SiC MOSFET 模塊缺乏普遍可訪問(wèn)的 SPICE 模型的潛在進(jìn)展。

中壓 SiC MOSFET 模型

在對(duì)半導(dǎo)體器件建模時(shí)，從行為分析到器件物理，基本上有三個(gè)抽象層次：

?

• 行為的
• 半物理
• 物理

?

行為模型在不考慮其物理操作機(jī)制的情況下模擬功率器件，它們通常使用數(shù)學(xué)擬合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用半物理范例，標(biāo)準(zhǔn)的低壓器件模型適用于高壓功率器件建模。因此，一些器件模型參數(shù)和方程的物理意義可能會(huì)丟失。

第三種模型類(lèi)型基于半導(dǎo)體物理學(xué)；熱和電行為的描述是通過(guò)數(shù)值求解物理方程得出的。

通常，可以使用具有 Level 3 NMOS 器件核心的子電路對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行建模。

眾所周知，Level 3 NMOS 具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

它在計(jì)算上是有效的。

它以其合理的準(zhǔn)確性而聞名。

它具有在模擬中正確收斂的能力。

在 SiC MOSFET 模型中，CGS 使用線性電容器實(shí)現(xiàn)，以對(duì) SiC MOSFET 的電壓相關(guān)電容進(jìn)行建模，而行為電流源用于對(duì)偏置相關(guān) CGD 和 CDS 元件進(jìn)行建模，而無(wú)需大量計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

SPICE MOSFET 電平比較

第一代 SPICE 仿真程序使用的 MOSFET 模型可以分為三類(lèi)：

級(jí)別 1 為時(shí)序計(jì)算和低仿真時(shí)間提供了高準(zhǔn)確度。也稱(chēng)為 Schichman-Hodges 模型，級(jí)別 1 適用于柵極長(zhǎng)度大于 10 μm 的器件。通道長(zhǎng)度調(diào)制通過(guò)使用參數(shù) L 建模?？鐚?dǎo)用于考慮體偏置。Level 1 模型不包括載流子飽和效應(yīng)、載流子遷移率退化或弱反轉(zhuǎn)模型。

在級(jí)別 2 中，考慮了大量電荷效應(yīng)。也稱(chēng)為 Grove-Frohman 模型，假設(shè)閾值電壓恒定且僅隨襯底電壓變化，則不考慮短溝道效應(yīng)。它用于柵極長(zhǎng)度約為 10 μm 的器件。級(jí)別 2 修改漏極電流以包括由 λ 參數(shù)建模的通道長(zhǎng)度調(diào)制。

在第 3 級(jí)（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停┲?，精度與第 3 級(jí)相似，但仿真時(shí)間更短且趨于收斂。包括通過(guò)橫向場(chǎng)（如物理效應(yīng)）引起的漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低和遷移率降低。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦m用于大約 2 μm 的柵極長(zhǎng)度。

模型驗(yàn)證

用于在中壓應(yīng)用中執(zhí)行 XHV-7 模型驗(yàn)證的測(cè)試臺(tái)包括一個(gè)鉗位感性負(fù)載，以便在時(shí)域中生成波形。

表 1 顯示了用于重建 LT SPICE 模型的參數(shù)，特別是稱(chēng)為 RSHUNT 的電阻分流器，用于測(cè)量直流電流，其值為 2.5 mΩ。

參數(shù) EPC 在 Efficient Power Conversion 給出的模型中定義。

表 1：Wolfspeed LT SPICE 參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置包括以下儀器：

MS058 泰克八通道示波器

TIVH05 泰克光電壓探頭 @ f = 500 MHz

THDP0100 泰克 6-kV 差分探頭 @ f = 100 MHz

T&M Research W-2-0025-4FC 25-mΩ 分流器 @ f = 400 MHz

Pearson CT 型號(hào) 411 電流互感器 @ f = 20 MHz

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3，600-V 總線電壓和 200-、400- 和 800-A 負(fù)載電流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6.5-kV XHV-7 模塊和 6.5-kV 硅 IGBT 之間的開(kāi)關(guān)損耗降低了 12倍（表 2）模塊在 25°C 的溫度下用于以毫焦耳為單位的開(kāi)關(guān)能量要求。

表 2：XHV-7 模塊的開(kāi)關(guān)損耗

五種不同操作條件下時(shí)域經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)（實(shí)線）和時(shí)域 LT SPICE 模型（虛線）之間的比較顯示出基本一致（圖 3）。

圖 3：經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與 LT SPICE 模型的比較

　　結(jié)論

對(duì)于能帶隙比硅更寬的半導(dǎo)體（例如碳化硅），到目前為止，我們還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)構(gòu)思出 SPICE 模型。因此，我們需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)來(lái)繪制 I D與 V DS 的關(guān)系圖。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，我們?cè)诮?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?a href="http://ttokpm.com/tags/凌力爾特/" target="_blank">凌力爾特標(biāo)準(zhǔn) PSPICE 實(shí)現(xiàn)之間得出了很大的一致性。

LT SPICE 仿真器中使用的合適模型可以通過(guò)從實(shí)驗(yàn)設(shè)置中獲取的參數(shù)提取來(lái)推導(dǎo)出來(lái)。

編輯：hfy