碳化硅功率模塊的建模和驗(yàn)證

傳統(tǒng)的硅功率晶體管在理論上已經(jīng)被推到了極限。1,2基于寬帶隙器件的系統(tǒng)（即碳化硅）已經(jīng)超越了效率、密度和工作溫度方面的限制。3阻斷電壓與導(dǎo)通電阻之比是由自身較高的碳化硅帶隙能量產(chǎn)生的。4這就是基于 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 (MV) 級(jí)別（即 2 至 10 kV）的應(yīng)用而完美設(shè)計(jì)的。5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)行轉(zhuǎn)換。1這些設(shè)備以其可用于海軍艦艇、儲(chǔ)能系統(tǒng)和高速鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰Χ劽?,7,8本文介紹了在 LT spice 中執(zhí)行的計(jì)算能力很強(qiáng)的 MV SiC MOSFET 模型。該單小工具模型用于對(duì) XHV-7 進(jìn)行建模，XHV-7 是 6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊，Cree 正在進(jìn)行這項(xiàng)工作 | 狼速。1該模型的批準(zhǔn)是通過將模型產(chǎn)量與來自雙脈沖心跳測(cè)試 (DPT) 的觀察波形進(jìn)行對(duì)比來執(zhí)行的，這些波形跨越工作條件范圍直至模塊評(píng)估。所描述的模型旨在解決 MV SiC MOSFET 模塊缺乏普遍可訪問的 SPICE 模型的問題。請(qǐng)?jiān)L問原始文章。

中壓碳化硅MOSFET模型

通過功率半導(dǎo)體建模，在計(jì)算的復(fù)雜性和仿真的準(zhǔn)確性之間觀察到微妙的平衡。用于緊湊系統(tǒng)建模的模型類型9是：

行為的

半物理

物理

行為模型以數(shù)學(xué)方式顯示了設(shè)備對(duì)刺激的響應(yīng)，很少或不考慮底層設(shè)備物理。

半物理模型描述了半導(dǎo)體物理，伴隨著非物理的簡(jiǎn)化，具有降低計(jì)算復(fù)雜度的能力。

半導(dǎo)體物理學(xué)給出的數(shù)學(xué)描述被通常按區(qū)域分解的基于物理學(xué)的模型用于基于特征方程計(jì)算器件的響應(yīng)。

幾何特性降低了模型參數(shù)的不確定性。本文中給出的 SiC MOSFET 模型是一個(gè)模型，它是一個(gè)以 Level 3 N-MOS 器件為核心的子電路。1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。

它具有在模擬中適當(dāng)收斂的能力。

它的一些參數(shù)以降低調(diào)諧能力而著稱。10圖 1a 和 b 中顯示了 SiC MOSFET 模型的詳細(xì)圖，這表明 CGS 是使用線性電容器實(shí)現(xiàn)的，用于捕獲 SiC MOSFET 的電壓相關(guān)電容，而行為電流源用于模擬依賴偏差的 CGD 和 CDS 元素，沒有顯著的計(jì)算開銷。1

圖 1：碳化硅 MOSFET 模型詳圖

XHV-7模塊型號(hào)

基于 6.5 kV SiC 晶體管的模型已在上一節(jié)中介紹。為了捕捉多芯片電源模塊 MCPM 的行為，有必要考慮開關(guān)位置的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。XHV-7 模型，它是由 Cree 開發(fā)的 6.5-kV SiC MOSFET 半橋 MCPM | Wolfspeed 是由單模模型創(chuàng)建的。1圖 2 顯示了 XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM。1已經(jīng)注意到，器件封裝寄生參數(shù)的表征在準(zhǔn)確創(chuàng)建 MCPM 模型中起著重要作用。已經(jīng)報(bào)道了有關(guān) XHV-7 寄生電感的詳細(xì)信息。11

圖 2：XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM

實(shí)證驗(yàn)證

一個(gè)。實(shí)驗(yàn)裝置

除了工作范圍條件外，XHV-7 還在鉗位感性負(fù)載 CIL 測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了硬開關(guān)，以便生成用于模型驗(yàn)證的時(shí)域波形。圖 3 清楚地描繪了具有 MV 功能的鉗位感性負(fù)載 CIL 測(cè)試臺(tái)的概覽。1表 1 清楚地顯示了對(duì)在 LT spice 中重新創(chuàng)建模型很重要的參數(shù)的摘要，而表 2 則是關(guān)于工作中使用的計(jì)量學(xué)。1

圖 3：MV CIL 測(cè)試臺(tái)

表 1：試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

表 2：測(cè)試臺(tái)的測(cè)試計(jì)量

灣 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

XHV-7 模塊已經(jīng)在五種直流母線電壓條件（1 kV、2 kV、3 kV、4 kV 和 5 kV）下進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)正在描述 DPT 實(shí)驗(yàn)，這是在三種負(fù)載電流條件下完成的（200 A、400 A 和 800 A）。1圖 4 是 500-kV、800-A DPT 示波器波形的屏幕截圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)工作條件形成的波形計(jì)算的開關(guān)能量值已清楚地顯示在圖 5 中。

圖 4：DPT 的示波器屏幕截圖

圖 5：6.5-kV XHV-7 的開關(guān)損耗

我們可以看到，在關(guān)斷期間，V DS的壓擺率為28.5 V/ns，過沖為 1,200 V，而漏極電流的壓擺率為 6 A/ns，有少量下沖。1在導(dǎo)通過程中，觀察到V DS的壓擺率為11.5 V/ns，有一點(diǎn)下沖，而漏極電流的壓擺率為 4.5 A/ns，過沖為 175 A。1

從實(shí)驗(yàn)中還可以觀察到，6.5V XHV 模塊的開關(guān)能量比傳統(tǒng)的基于 Si IGBT 的模塊小 12 倍。1表3為不同負(fù)載下開關(guān)能量的比較

表 3：開關(guān)能量比較

C。XHV-7 模型驗(yàn)證

圖 6a 和 b 以及圖 7 清楚地顯示了 LT spice 模型的 XHV-7 預(yù)測(cè)與五種不同操作條件下的經(jīng)驗(yàn) DPT 波形之間的時(shí)域比較。

圖 6：不同負(fù)載下模型預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的比較

圖 7：不同負(fù)載下模型預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的比較

結(jié)論

在這里可以得出的結(jié)論是，很難提供任何類型的 SPICE 模型，這些模型在本質(zhì)上是準(zhǔn)確可靠的，專門用于 MV SiC MOSFET，因?yàn)樗鼈儾⒉粡V泛可用。本文通過以計(jì)算方式精確地為在 LT spice 中實(shí)現(xiàn)的 MV SiC MOSFET 提供有效的行為模型來解決這個(gè)問題。本文給出的SiC MOSFET模型是一個(gè)以Level 3 NMOS元件為核心的子電路模型。眾所周知，Level 3 NMOS 元件具有顯著的優(yōu)勢(shì)，例如計(jì)算效率、合理的精度以及在模擬中正確收斂的能力。在 25?C 下，與考慮的 Si IGBT 模塊相比，XHV-7 已證明總開關(guān)能量大約低 12 倍。

審核編輯：湯梓紅