趙　波，周　哲，徐艷明，李　虹，鄭瓊林

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京102209；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

適用于電動汽車的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

趙波1，周哲1，徐艷明2，李虹2，鄭瓊林2

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京102209；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

為了基于PSpice電路對電動汽車DC/DC變換器中的碳化硅（SiC）MOSFET的工作特性進行實時準確地仿真，針對SiC MOSFET提出了一種新型的電壓控制電流源型VCCST（voltage-controlled current source type）PSpice仿真模型。首先，為了獲得SiC MOSFET準確的靜態(tài)特性建立了電壓控制電流源作為SiC MOSFET的內(nèi)核，以描述SiC MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性；然后，為了獲得SiC MOSFET準確的動態(tài)特性，建立了基于電壓控制電流源與恒定電容的柵漏電容（CGD）子電路模型，所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在簡化參數(shù)提取方法的同時，能夠滿足模型準確性的要求；最后，建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型應(yīng)用于Boost變換器進行仿真和實驗，并對SiC MOSFET的特性進行測試。測試結(jié)果驗證了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的準確性和實時性，從而為SiC MOSFET在電動汽車DC/DC變換器中的設(shè)計和應(yīng)用提供了便利。

電動汽車；SiC MOSFET；PSpice模型

引言

隨著綠色能源概念的提倡和推廣，傳統(tǒng)汽車的排污問題已引起了社會的廣泛關(guān)注。因此，以環(huán)境污染小，零化石能源依賴以及節(jié)能減排為特點的電動汽車［1］，成為了當(dāng)今的研究熱點。為了實現(xiàn)電路輸出電壓的調(diào)節(jié)，輸出穩(wěn)定的直流電壓，需要DC/DC變換器進行連接［2］。電動汽車用DC/DC變換器按輸入輸出有無電氣隔離分為隔離式與非隔離式兩類。非隔離式DC/DC變換器，具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件少、體積小的優(yōu)勢。但是在大功率場合中，由于硬開關(guān)模式導(dǎo)致開關(guān)損耗過大，限制了DC/DC變換器的效率。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用是通常的解決方案，但是在提高效率的同時，增加了控制策略的復(fù)雜性和難度［3-5］。

近年來，寬禁帶半導(dǎo)體材料的誕生，促進了新型電力電子器件的巨大發(fā)展。以碳化硅（SiC）材料為襯底的MOSFET已逐漸市場化，相比于硅（Si）MOSFET，導(dǎo)通電阻更小，開關(guān)速度更快，從而在電動汽車DC/DC變換器中，具有更大的性能優(yōu)勢［6-7］。為了更好地評估SiC MOSFET的器件特性，優(yōu)化DC/DC變換器的設(shè)計過程，需要建立精確實時的SiC MOSFET電路仿真模型。

目前，基于SiC MOSFET的仿真模型的研究已逐步展開。其中文獻［8］提出的SiC MOSFET PSpice仿真模型，能夠準確地描述SiC MOSFET的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，對于SiC MOSFET模型的建立具有指導(dǎo)意義。但是，該模型對輸出特性準確性的驗證只探究了漏源電壓VDS＜6 V的范圍。此外，由于SiC MOSFET的開關(guān)速度快，隨電壓變化的非線性柵漏電容CGD對SiC MOSFET的動態(tài)特性起著重要的作用。因此，CGD建模是SiC MOSFET動態(tài)特性的關(guān)鍵。因此，基于上述模式本文提出一種新型的SiC MOSFET電壓控制電流源型VCCST （voltage-controlled current source type）PSpice仿真模型。

1　SiC MOSFET模型描述

在文獻［8］的CGD模型中，如圖1所示，當(dāng)VGD＜0時，CGD為變電容Cg，由兩個二極管D1和D2等效，當(dāng)VGD＞0時，CGD為恒定電容CGDMAX。其中，Cg模型的準確性取決于正確匹配二極管D1和D2的結(jié)電容。然而，D1和D2的結(jié)電容值的確定主要依賴經(jīng)驗，缺乏系統(tǒng)而準確的方法。

圖1　SiC MOSFET CGD模型Fig.1　CGDmodel of SiC MOSFET

SiC MOSFET基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文提出的SiC MOSFET VCCST PSpice等效電路模型如圖3所示。

圖2　SiC MOSFET基本結(jié)構(gòu)截面Fig.2　Cross section of basic structure SiC MOSFET

圖3　本文SiC MOSFET VCCST PSpice模型Fig.3 SiC MOSFET VCCST PSpice model proposed in this paper

圖中，MN為VGS和VDS控制的電壓控制電流源，用來描述SiC MOSFET的I-V特性；DN為SiC MOSFET體二極管，等效MOSFET中的p區(qū)與n-外延層的pn結(jié)效應(yīng)；CGS為恒定電容，等效SiC MOSFET的柵源電容；Ig為電壓控制電流源，CGDM為恒定電容，Ig與CGDM并聯(lián)的子電路等效SiC MOSFET的柵漏電容；RG為恒定電阻，等效SiC MOSFET的柵極電阻。

2　SiC MOSFET靜態(tài)特性建模

本文采用壓控電流源模型MN建立SiC MOSFET的靜態(tài)模型［9］。

當(dāng)VGS＜VTH時，MN的表達式為

當(dāng)VDS＜VDsat時，MN的表達式為

當(dāng)VDS≥VDsat時，MN的表達式為

式中：姿為溝道長度調(diào)制系數(shù)；K和m為控制線性區(qū)曲線特性的參數(shù)；B和n為控制飽和區(qū)曲線特性的參數(shù)；VTH為閾值電壓。為了保證MN模型的準確性，最關(guān)鍵的是對MN模型中參數(shù)的提取。現(xiàn)有參數(shù)提取方法是基于I-V曲線的數(shù)據(jù)點，根據(jù)一系列的等式計算得出［9］。由于文獻［9］正文中所給出的參數(shù)計算方法中采樣點個數(shù)過少，導(dǎo)致參數(shù)的精度對SiC MOSFET靜態(tài) I-V曲線中采樣點的位置具有敏感性，從而需要進行多次采樣點選取和方程式計算，最后選取最吻合的一組參數(shù)作為結(jié)果。另外，已有的仿真建模得出的輸出特性曲線只在VDS較小時，如當(dāng)VDS＜6 V時，與實際測量的曲線吻合；當(dāng)VDS＞6 V，曲線逐漸由線性區(qū)進入飽和區(qū)時，仿真得到的曲線與實際測量曲線具有較大誤差［9-11］。本文為彌補原有參數(shù)提取方法的不足，基于datasheet所提供的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，增加了采樣點的個數(shù)，并借助于數(shù)學(xué)擬合軟件（1stopt）進行自動參數(shù)提取，避免了采樣點選取的隨機性和個別采樣點對參數(shù)值的影響，保證了所提取參數(shù)的精確性。

體二極管 DN模型利用 PSpice的建模工具Model Editor可以得到。

3　SiC MOSFET動態(tài)特性建模

SiC MOSFET的動態(tài)特性主要指其開關(guān)特性，而SiC MOSFET的結(jié)電容在開通和關(guān)斷過程中具有重要意義。SiC MOSFET有以下3個結(jié)電容：

（1）柵源電容CGS：等效SiC MOSFET的金屬氧化層電容，其容值不隨VGS的變化而改變，因此CGS的容值為常數(shù)；

（2）漏源電容CDS：等效SiC MOSFET的耗盡層電容，由于耗盡層的寬度隨著其兩端電壓的變化而改變，因此CDS的容值隨VDS的變化而改變；

（3）柵漏電容 CGD：等效氧化層電容 Coxd與耗盡層電容Cgdj串聯(lián)。因此CGD的容值隨VGD的變化而改變。

綜上，由于CDS和CGD是變電容，單純將CDS和CGD設(shè)置為恒定值不能精確反應(yīng)SiC MOSFET動態(tài)特性。因此，需要對CDS和CGD進行建模。由于體二極管DN的結(jié)電容與CDS均為SiC MOSFET的p區(qū)與n-外延層的pn結(jié)處的耗盡層電容，在設(shè)置體二極管DN模型的結(jié)電容時，同時考慮CDS的容值隨VDS的變化，而不重復(fù)設(shè)置CDS為變值電容；因此，對SiC MOSFET非線性柵漏電容 CGD建模是 SiC MOSFET動態(tài)特性建模的關(guān)鍵。

本文所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型的CGD模型中，Ig為電壓控制電流源，用來等效VGD≤0時的CGD。根據(jù)公式Ig=CgdVGD/dt，變電容Cg可以通過數(shù)學(xué)表達式表示。CGDM為恒定電容，用來等效VGD＞0時的CGD。由于在圖1中，VGD≤0時的CGD由二極管D1與D2的結(jié)電容等效，因此，Cg的數(shù)學(xué)表達式可以由二極管的電荷方程進行推導(dǎo)。由于當(dāng)VGD≤0時，D1與D2承受反向電壓，流過D1與D2的電流非常小，可以忽略不計，因此D1與D2的結(jié)電容CJO可以表示為

定義a=QD（m-1）/φD，b=φD，c=1-m，則Cg可以可表示為

由于所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型中，CGDM與Cg并聯(lián)，從而有CGD=CGDM+Cg。為了消除CGDM在VGD≤0時對Cg的影響，應(yīng)在式（5）的基礎(chǔ)上減去CGDM。并且，為了使式（5）在VGD=0時仍然有意義，Cg的表達式分母不能為0。同時，CGD電容在VGD=0和VGD＞0時不能突變。因此，為了獲得更加精確的CGD擬合函數(shù)，優(yōu)化式（5）得

最后，將開關(guān)函數(shù)k（VGD）替代VGD，使得變電容Cg只在VGD≤0時起作用，即

上述為本文所提出的簡化子電路模型CGD的數(shù)學(xué)建模，參數(shù)提取方法和MN相似，CGD的擬合函數(shù)為

4　SiC MOSFET VCCST PSpice模型驗證

本文以1 200 V/33 A的SiC MOSFET CMF201 20 D為例，建立SiC MOSFET VCCST PSpice模型。

4.1靜態(tài)特性驗證

本文所驗證的SiC MOSFET的靜態(tài)特性主要為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。仿真與datasheet的比較如圖4與圖5所示。

圖4　T=25℃轉(zhuǎn)移特性曲線與datasheet對比Fig.4　Transfer characteristics comparison between simulation and datasheet in 25℃

圖5　T=25℃輸出特性仿真曲線與datasheet對比Fig.5 Output characteristics comparison between simulation and datasheet in 25℃

由此可以看出，本文提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型的轉(zhuǎn)移特性曲線在VGS＝18 V和輸出特性曲線在VDS＝20 V以內(nèi)與datasheet提供的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線吻合。

4.2動態(tài)特性驗證

4.2.1CGD子電路模型原理仿真驗證

為了驗證簡化的CGD子電路的工作原理與其開關(guān)模型是否一致，建立如圖6所示的測試電路。圖中的CGD模塊是根據(jù)圖7中的程序生成的CGD子電路模型。電壓源VGD為斜坡輸入，且斜率為1，即dVGD/dt=1。前40 s由40 V遞減到0 V，后200 s由0 V遞減到-200 V。因此時間t從0 s增加到240 s時，VGD從40 V遞減到-200 V。

由iGD=CGDdVGD/dt可知，當(dāng)dVGD/dt=1時，流過CGD的電流iGD即為CGD，從而仿真得到的iGD-t曲線即為CGD-VGD曲線，如圖8所示。

由圖8可知，VGD≤0時，CGD隨著VGD絕對值的增大逐漸減??；VGD＞0時，CGD切換到電容CGDM保持不變。因此，本文提出的CGD子電路模型可以較準確地描述SiC MOSFET CGD隨VGD的變化［6］。

4.2.2動態(tài)特性仿真和實驗驗證

為驗證所建立的動態(tài)模型的準確性，本文搭建Boost變換器作為測試電路對SiC MOSFET的動態(tài)特性進行測試。Boost電路原理如圖9所示，Boost實驗平臺如圖10所示，仿真與實驗參數(shù)如表1所示。

在室溫條件下，進行SiC MOSFET的動態(tài)特性測試，表2列出了SiC MOSFET CMF20120D的仿真與實驗的上升時間和下降時間的對比結(jié)果，誤差在15%以內(nèi)。

開通與關(guān)斷的仿真波形與實驗測試的波形對比如圖11所示。

圖6　CGD子電路模型原理測試電路Fig.6　Test circuit of CGDsub-circuit model

圖7　CGD子電路模型編程程序Fig.7　Procedures of CGDsub-circuit model

圖8　CGD隨VGD變化的仿真波形Fig.8　Simulation waveforms of CGDwith the variation of VGD

圖9　Boost測試電路拓撲Fig.9 Boost test circuit topology

圖10　Boost測試電路實驗平臺Fig.10　Boost test circuit experiment platform

觀察圖11可知，SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型能夠較準確反映SiC MOSFET開通與關(guān)斷過程的上升與下降瞬態(tài)。但是，實驗的開通與關(guān)斷波形相比于仿真，振蕩更為明顯。這是由于SiC MOSFET與電路中的其他元件 （如SiC二極管、線路寄生電感、寄生電容等）產(chǎn)生諧振造成的。要想精確仿真出這種振蕩，需要對電路中的所有元件進行精確的建模，而這部分工作超出了SiC MOSFET器件自身的建模范圍。SiC MOSFET的開關(guān)特性是評估動態(tài)特性的主要因素，忽略電路雜散參數(shù)造成的振蕩，可以認為所建立的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的動態(tài)特性與實際基本一致。

表1　Boost電路仿真和實驗參數(shù)Tab.1　Simulation and experimental parameters of Boost circuit

表2　實驗與仿真參數(shù)對比Tab.2　Comparison between experiment and simulation parameters

圖11　仿真與實驗波形對比Fig.11　Comparison between simulation and experiment

5　結(jié)語

本文提出了一種新型的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型。通過建立表現(xiàn)SiC MOSFET靜態(tài)特性的電壓控制電流源，實現(xiàn)了SiC MOSFET仿真模型其輸出特性曲線在 VDS擴展到20 V時與datasheet的吻合。同時避免了對器件物理層面的深入探索，達到了模型精確性與方法通用性的一致。此外，本文提出的基于電壓控制電流源的非線性CGD子電路，精確地描述了SiC MOSFET在開關(guān)過程中CGD隨VGD的變化，此子電路建模方法也具有通用性。通過搭建Boost測試電路，對SiC MOSFET在開通和關(guān)斷時刻的動態(tài)特性進行了實驗測試。根據(jù)仿真和實驗結(jié)果的對比，驗證了本文所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的正確性，為適用于電動汽車DC/DC變換器的SiC MOSFET PSpice仿真模型的建立提供了一種新的思路。

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Study on PSpice Model of SiC MOSFETs Applied in Electric Vehicle

ZHAO Bo1，ZHOU Zhe1，XU Yanming2，LI Hong2，Trillion Q ZHENG2
（1.Global Energy Interconnection Research Institute，Beijing 102209，China；2.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to describe the working characteristics of SiC MOSFETs in the electric vehicle DC/DC converters accurately in simulation，a novel voltage-controlled current source type（VCCST）PSpice model is proposed in this paper. First，to obtain good static characteristics curves，a voltage controlled current source is applied as the core of the model which is able to describe transfer characteristics and output characteristics accurately.Then，to obtain good dynamic characteristics curves，the voltage dependency of gate-drain capacitor（CGD）is realized by establishing a sub-circuit containing a voltage-controlled current source and a constant capacitor.SiC MOSFET VCCST PSpice model has the advantage in accuracy as well as simplicity to extract the parameters needed.Simulation and experimental results tested on a Boost converter prove the correctness and effectiveness of SiC MOSFET VCCST PSpice model，thus provides convenience to the electric vehicle DC/DC converter design.

electric vehicle；SiC MOSFET；PSpice model

趙波

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.21

TM 461.5

A

2015-12-10 基金項目：國家自然科學(xué)基金面上資助項目（51577010）；北京市自然科學(xué)基金資助項目（3142015）；國網(wǎng)科技資助項目（5355DD130003）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目（2015 JBM084） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577010）；the Natural Science Foundation of Beijing，China（3142015）；the State Grid Corporation Science and Technology Project（5355DD130003）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2015JBM084）

趙波（1977-），男，博士，高級工程師，研究方向：電力電子、儲能，E-mail：zhaobo @geiri.sgcc.com.cn。

周哲（1987-），男，碩士，助理工程師，研究方向：電力電子、儲能，E-mail：zhouzhe @geiri.sgcc.com.cn。

徐艷明（1990-），女，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：13121 487@bjtu.edu.cn。

李虹（1980-），女，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子與電氣傳動，E-mail：hli@bjtu.edu.cn。

鄭瓊林（1964-），男，博士，教授，研究方向：電力電子與電氣傳動，E-mail：tqzhen g@bjtu.edu.cn。