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他来了!三菱电机SiC MOSFET仿真技术来了!

发布日期:2020-07-31 浏览次数:3318 来源:三菱电机半导体
 

背  景


     SiC功率半导体器件凭借其显著降低功率损耗等特性获得众多关注,其市场需求正不断攀升。2010年,三菱电机开始将SiC功率半导体模块商业化,这些模块以肖特基势垒二极管(SBD)和SiC-MOSFET为典型代表,用于空调、工业设备、铁路车辆等逆变系统中,有助于降低功耗、减小变流器尺寸和重量。自今年7月起,三菱电机将开始提供最新的分立器件样品:N系列1200V SiC-MOSFET


     当使用分立器件开发变流器时,主功率回路和驱动回路的设计有必要通过仿真进行验证。而使用传统的SPICE模型,电流波形仿真精度较低,需要通过多种工况下的实验数据来补充SPICE模型的仿真结果。

图1:SiC MOSFET芯片截面图(左)和开关波形实例分析(右)

(P区:注入铝离子的SiC层;N区:注入氮离子的SiC层)

近日,三菱电机株式会社宣布开发出高精度的仿真电路模型(SPICE, Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis),用于分析分立器件电路。该仿真技术已应用N系列1200V SiC-MOSFET*样品中,并将于本月发售该样品。与传统SPICE模型不同的是,三菱电机新开发的模型仿真的高速开关波形几乎和实际测试结果一样,目前其精度在业内无与伦比这有望使变流器设计变得更加高效。未来,三菱电机计划新增多个与温度相关的参数,以实现SPICE模型在仿真器件高温下运行的准确性。2020年7月8日,三菱电机在PCIM Europe国际研讨会上展示了此仿真模型**。
*Silicon-carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
**会议报告: T.Masuhara, T. Horiguchi, Y. Mukunoki, T. Terashima, N. Hanano and E. Suekawa.“Development of an Accurate SPICE Model for a New 1.2-kV SiC-MOSFET Device”

SiC器件特性


SiC-MOSFET从漏极到源极的电流(漏极电流)是由栅极电压决定的(图2)。MOSFET内部含有寄生电容,其上积累的电荷并决定开关速度。当器件端子上施加电压时,内部正电荷和负电荷数量就会发生改变,从而致使各层间距离随之改变,进而导致寄生电容变化,最终影响开关速度的变化。当层间距离减小时,电容值增大,开关速度减小;反之,当层间距离增大时,电容值减小,开关速度增大。


图2:SiC MOSFET芯片截面图

主要特征


独特的SPICE模型使变流器设计更加高效。
三菱电机SPICE模型的准确性主要来源于对寄生电容和电压依赖性的准确描述。在高速换流过程中对电流波形进行高精度仿真,这在以前的模型中是无法实现的。例如,在SiC-MOSFET的开通过程中,所有电压和电流的仿真波形与实际实验波形几乎一致。漏极电流上冲的误差从40%降低到15%(见图3右)。

图3:开通波形实例分析

在额定电流范围内,新模型能够高精度仿真流过变流器的漏极电流。在变流器开发的早期阶段,电路设计人员可以花更少的时间进行试验验证,提高工作效率。与以往不同,新模型还实现了SiC-MOSFET驱动电流波形(也即栅极电流波形)的高精度仿真,可以选择最优的驱动器件来保证SiC-MOSFET的驱动电流,从而有可能降低成本。

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