李勇杰，　陳偉偉，　周郁明

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243002）

改進(jìn)型碳化硅MOSFETs Spice電路模型

李勇杰，陳偉偉，周郁明

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243002）

在高溫、高壓和高頻的電力電子應(yīng)用中，碳化硅（SiC）MOSFETs展現(xiàn)出了巨大的潛力。為了在寬溫度范圍內(nèi)更準(zhǔn)確地反映SiC MOSFETs的轉(zhuǎn)移特性，提出了一種簡(jiǎn)化的含溫控電源的SiC MOSFETs的Spice電路模型。溫控模型的引入補(bǔ)償了器件在寬溫度范圍內(nèi)閾值電壓的變化率和跨導(dǎo)系數(shù)，在LTspice電路仿真軟件中模擬了SiC MOSFETs在25℃和125℃下的轉(zhuǎn)移特性。與現(xiàn)有的模型相比，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度得到了進(jìn)一步的提高。

SiC MOSFET；Spice模型；溫控模型

引言

SiC器件已進(jìn)入到了一個(gè)新的商業(yè)化時(shí)代［1-4］，目前已有一些不同型號(hào)的SiC MOSFETs器件應(yīng)用在了高溫、高壓和大功率的電路中。在實(shí)際應(yīng)用SiC MOSFETs器件中，建立一個(gè)準(zhǔn)確的電路仿真模型能夠有效預(yù)測(cè)電路特性，降低成本，為科研工作者設(shè)計(jì)和優(yōu)化電路提供條件。文獻(xiàn)［5-6］介紹了不同的SiC MOSFETs的模型，這些模型在不同程度上解釋了器件的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性；文獻(xiàn)［7］提出的10 kV SiC MOSFET變溫參數(shù)的建模，對(duì)SiC器件的建模具有普遍的指導(dǎo)意義。然而，目前SiC MOSFETs的電路模型主要的不足之處在于模型不能夠在寬溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確地反映器件的特性，因而有必要對(duì)器件模型進(jìn)一步地完善。

目前量產(chǎn)的中低壓SiC MOSFET產(chǎn)品型號(hào)有限，本文選用美國(guó)CREE公司的CMF20120D（1200 V/33 A）作為代表，建立了一種簡(jiǎn)化的變溫參數(shù)SiCMOSFETs數(shù)學(xué)模型，能夠應(yīng)用在高壓和高溫電力電子電路仿真中，如太陽(yáng)能發(fā)電中的逆變電路、高壓輸出DC-DC轉(zhuǎn)換電路、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中的逆變電路等。本文在建模的過程中借鑒了文獻(xiàn)［6］中的建模思想，并對(duì)其不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)在模型中引入溫控電源的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，基于所建模型對(duì)器件在25℃和125℃下的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了仿真，并與CMF20120D SiC MOSFET技術(shù)手冊(cè)［7］中轉(zhuǎn)移特性的圖形曲線進(jìn)行了比較。

1　SiC MOSFETs變溫參數(shù)的建模

1.1SiC MOSFETs原模型不足

溫度對(duì)器件的多個(gè)參數(shù)都具有影響，如閾值電壓、跨導(dǎo)、漏極飽和電流等，這些同時(shí)對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性產(chǎn)生重要的影響。圖1是SiC MOSFET的通用仿真模型，雖然在模型中引入了溫控電壓源E和溫控電流源G來(lái)補(bǔ)償器件的靜態(tài)特性，但是在寬溫度和寬電壓條件下實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果并不理想。

文獻(xiàn)［8］針對(duì)圖1的不足進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)器件的導(dǎo)通電阻進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，考慮了器件的低溫特性；對(duì)溫控電壓源的模型進(jìn)行了多階擬合，較好地補(bǔ)償了SiC MOSFET的靜態(tài)特性隨溫度的變化。改進(jìn)后的模型的轉(zhuǎn)移特性仿真曲線如圖2所示。

圖1　SiC MOSFET通用電路模型Fig.1 General circuit model of SiC MOSFET

圖2　文獻(xiàn)［8］兩種溫度下實(shí)測(cè)與仿真轉(zhuǎn)移特性曲線對(duì)比Fig.2 Comparison curves of measurement and simulation transfer characteristic at two temperature in literature［8］

由圖2可知，雖然溫控電源對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性起到了一定的補(bǔ)償作用，當(dāng)柵源電壓較低時(shí)，器件的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)接近。然而，當(dāng)柵源電壓較高時(shí)，得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線有所區(qū)別。主要的原因可能有：①所建立的溫控電源模型不夠準(zhǔn)確；②對(duì)器件關(guān)鍵參數(shù)的考慮不全面，如柵極電阻、跨導(dǎo)系數(shù)、閾值電壓等。

針對(duì)以上的不足，本文對(duì)文獻(xiàn)［6］的模型進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使其特性曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更吻合。

1.2SiC MOSFETs的改進(jìn)型模型

在Spice軟件中使用MOSFET模型編輯器工具提取SiC MOSFETs模型的一些參數(shù)。建模工具考慮了橫向MOSFETs器件所有重要的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。建模所需的必要數(shù)據(jù)可以從器件的技術(shù)手冊(cè)中得到［9］。MOS管中漏源電壓與漏極電流以及柵源電壓與漏極電流的關(guān)系［10］表示為

式中：W為器件溝道寬度；L為MOSFET的溝道長(zhǎng)度；Kn為A/V2尺寸的制造參數(shù)，用來(lái)捕獲每單位體積的氧化電容和溝道電子遷移率。

在CMF20120D子電路的建模中，為了使得柵極電阻能夠被單獨(dú)調(diào)整，引入了參考系數(shù)af，柵極電阻可表示為

溫度對(duì)漏極電壓的影響可表示為

式中：a、TC1、TC2均為修正系數(shù)；T為器件的仿真溫度；T25為溫度25℃。

溫度對(duì)閾值電壓的影響可以表示為

式中：TC3、TC4為修正系數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到溫度的影響，閾值電壓的線性變化率是-7 mV/℃，而Spice默認(rèn)的線性變化率是-1 mV/℃，這與器件的實(shí)際特性是不相符的，在更高的溫度下，MOS的閾值電壓會(huì)出現(xiàn)輕微的負(fù)轉(zhuǎn)移，考慮到這種現(xiàn)狀，對(duì)圖1中的溫控電壓源E進(jìn)行了重新定義，其電壓表達(dá)式為

式中：a為常量，是柵極閾值電壓溫度變量的斜率，可表示為

基本滿足技術(shù)手冊(cè)中閾值電壓溫度變量的實(shí)際斜率。將式（6）應(yīng)用在Origin軟件中，對(duì)ETEMP進(jìn)行多階擬合，得

式中，VT1、VT2、VT3為修正系數(shù)，分別取為：VT1= 0.005，VT2=5×10-6，VT3=5×10-8。

SiC反型層中的電子遷移率隨著溫度的升高而升高。在更高的溫度下，漂移層和SiC MOSFET的垂直JFET區(qū)的電阻是增長(zhǎng)的?？紤]此效應(yīng)，對(duì)圖1中溫度電流源G重新定義，其表達(dá)式為式中：KP為迭代仿真建模中的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)前模型中KP的取值為1.11；ID為流經(jīng)MOSFET器件中漏極瞬時(shí)電流值。

1.3SiC MOSFET轉(zhuǎn)移特性的驗(yàn)證

經(jīng)上述改進(jìn)后，在電路仿真軟件LTspice建立如圖3所示的仿真電路。對(duì)于CMF20120D器件，圖3中的電路參數(shù)如表1所示。表中pwl.txt描述為（0 0 0.2 0.5…8 20），GreeDMOSFET.txt為spice模型。

采用圖3模型仿真得到SiC MOSFET轉(zhuǎn)移特性仿真曲線如圖4所示。CREE公司產(chǎn)品手冊(cè)［9］中CMF20120D SiC MOSFET的實(shí)測(cè)曲線在圖4中做比較。

從圖4可知，仿真的轉(zhuǎn)移特性曲線與實(shí)測(cè)曲線的吻合度得到了很大的提高。這說(shuō)明，對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)的修正和對(duì)溫控電源的優(yōu)化，很好地補(bǔ)償了溫度對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性的影響，提高了模型的準(zhǔn)確度。

表1　電路參數(shù)Tab.1 Parameters of circuit

圖3　LTspice中轉(zhuǎn)移特性仿真電路Fig.3 Transfer characteristic simulation circuit of Lpspice

圖4　仿真轉(zhuǎn)移特性曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比Fig.4 Comparison curves of measured and simulated transfer characteristic

2　結(jié)語(yǔ)

在已有的SiC MOSFETs仿真模型基礎(chǔ)上，對(duì)CMF20120D的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了模型校正，對(duì)引入的溫控電壓源和溫控電流源模型進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使得在較寬溫度范圍內(nèi)基于改進(jìn)的仿真模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)移特性曲線與廠家提供的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)移特性基本吻合。

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Improved Spice Model for Silicon Carbide MOSFETs

LI Yongjie，CHEN Weiwei，ZHOU Yuming
（School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China）

Silicon Carbide exhibited great potential in the application of high temperature，high voltage and high frequency power electronic circuits.In order to reflect the transfer characteristics of SiC MOSFETs more accurately in wide temperature range，a simplified SiC MOSFET Spice model including the temperature dependent source is proposed. The threshold voltage of the device in a wide temperature range and coefficient transconductance is compensated by temperature dependent source.Based on the simulation software LTspice，the transfer characteristics of SiC MOSFET in 25℃ and 125℃ were carried out in with the new model，and the simulation results are compared with the measured data.The conformity of the simulation and experimental results are further improved compared with that of the traditional model，the accuracy and validity of the model are verified and provide the scientific basis for the application of the device in the future.

SiC MOSFET；Spice model；temperture dependent source model

李勇杰

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.28

TM432

A

2015-11-17 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177003）；安徽高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（KJ2016A805） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51177003）；the Natural Science Foundation of the Colleges and Universities in Anhui（KJ2016A805）

李勇杰（1991-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)镾iC MOSFET模型與應(yīng)用，E-mail：410635295@qq.com。

陳偉偉（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)镾iC MOSFET器件及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，E-mail：980080248@qq.com。

周郁明（1971-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件及其應(yīng)用，E-mail：ymzhou@ahut.edu.cn。