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【论文】一种新型1.2kV SiC MOSFET器件的精确SPICE模型的开发

发布日期:2021-01-09 浏览次数:1021 来源:三菱电机
 
一种新型1.2kV SiC MOSFET器件的精确SPICE模型的开发

TakashiMasuhara1, Takeshi Horiguchi1
Yasushige Mukunoki1,Tomohide Terashima2
Naochika Hanano2, and Eisuke Suekawa2
1 三菱电机先端技术研究中心
2 三菱电机功率器件制作所


摘 要

图片

本文介绍了一种新型1.2kV SiC MOSFET分立器件的SPICE模型。所开发的SPICE模型拟合了非线性寄生电容,并且具有饱和区的精确输出特性;同时该模型可以准确复现栅极驱动回路和主功率回路的开关波形,凸显出该模型作为一种设计工具在未来具有巨大的应用潜力。
引 言

SPICE模型在电路仿真中已被广泛用作标准模型。一些器件制造商已经提供了他们的SiC器件SPICE模型,这使得电路设计工程师能够评估功率变换器电路中的SiC器件开关性能。近来,SPICE模型一直是一个热门的研究课题,不断提高其准确性和实用性[1]。例如,科锐公司为他们的1.2kV分立SiC MOSFET引入了第3代SPICE模型,来更好地复现输出特性和温度依赖性[2]。SPICE模型的准确性是一个非常关键的问题,也是有待进一步研究的课题。
文章介绍了一种新型1.2kV/30A SiC MOSFET分立器件的SPICE模型。此SPICE模型拟合了非线性寄生电容:依赖于VGS的CGS,依赖于VDS的CDS,依赖于VGS和VDS的CDG[3-5];同时它还包含内部栅极电阻、具有耦合系数的寄生电感和精确的饱和区输出特性。通过将SPICE仿真结果与双脉冲测试(电感负载)所测得的开关波形进行比较来验证SPICE模型的准确性。


 

建模过程


以三菱电机新开发的1.2kV/30A SiC MOSFET分立器件作为被测器件DUT(Device Under Test)
图1给出了SPICE模型的等效电路图,包含内部栅极电阻(RGint)、源极寄生电感 (LS)、漏极寄生电感(LD),两者之间的耦合系数(k)、三个寄生电容(CGSCDSCDG)和表征输出特性的通用MOSFET内核。

图1:分立SiC MOSFET的等效电路图
内部栅极电阻RGint作为CGS的等效串联电阻,由LCR测试仪在频率1MHz 下测试得到,此处设置为2.7Ω。通过谐振原理测试得到TO-247封装的寄生电感,LS为5.0nH,LD为2.4nH,两者之间的耦合系数为-0.69[3]
图2显示了CGS、CDS和CDG三个寄生电容测量值和SPICE模块近似值的比较。
图2(a)将CGS绘制成VGS的函数,其中蓝色圆圈表示测量值,红色实线表示SPICE代码中描述的近似值。CGS是通过对被测器件施加VGS,用LCR测试仪测量的,并用双曲正切函数来拟合。由于栅氧层下面的寄生电容,在VGS为正且直到7V时,CGS是不断增加的。另一方面,负VGS区域的电容保持在4nF恒定值。此种情况不同于其他制造商的SiCMOSFET,这在我们之前的研究中说明过[5]
图2(b)将CDS绘制成VDS的函数。CDS是由图示仪通过对被测器件施加正VDS和恒定VGS=0V测量得到。CDS对VGS的依赖性是可以忽略的,这里不做考虑。CDS用VDS的简单幂函数来近似。
图2(c)将CDG绘制为VGS和VDS的函数。如文献2中所描述的,CDG是在米勒平台时栅极电流波形分析得到。为了更好地评估CDG,需要减去在米勒平台时流入CGS的微小电流。CGD近似为VGS的双曲正切函数和VDS的幂函数的组合。


 (a):CGS为VGS的函数


(b):CDS为VDS的函数


(c):CDG为VDS和VGS的函数

图2:SiC MOSFET寄生电容特性

图3给出了测量和仿真输出特性的比较,其中圆点代表测量值,实线代表仿真值。利用图示仪对线性区域(图3(a))的输出特性进行评估,利用文献6中报道的方法对开通波形进行分析得到高达600 V的饱和区域(图3(b))输出特性。在线性区域(VDS≤VDS(sat)),采用基于α幂律分布的MOSFET模型函数[7]。在此基础上,对较高的VGS区域进行精确的匹配,使其通态电阻准确。在饱和区(VDS>VDS(sat))中,定义了VDS的幂函数,该函数可复现600V以下的输出特性。

(a):线性区


(b):饱和区

图3:线性区和饱和区输出特性


开关波形对比


该模型的开关波形由电感负载双脉冲开关试验来验证。在直流电压为600V、漏极电流为15A的情况下,通过开关测试来验证。
图4为双脉冲开关测试的电路原理图。该拓扑是一个半桥电路,其中负载电感与上桥臂SiC MOSFET并联。下桥臂SiC MOSFET作为被测器件,上桥臂SiC MOSFET作为续流二极管,其栅极偏压为-4.5 V。图4中用带虚线方框来标注直流电容和主功率回路组成的等效电路模型。电路图中还包含下桥臂SiCMOSFET每个输出端子的连接线引起的寄生电感。下桥臂SiC MOSFET的外部驱动电阻为32.7Ω。对栅极驱动电路也进行了建模[6]。栅极电路的输出与下桥臂SiC MOSFET之间的外部驱动电阻通过两条杂散电感为50nH的导线所组成的双绞线进行连接。



图4:双脉冲开关测试电路图
图5显示了测试和仿真开关波形的对比。总的来说,SPICE仿真波形与测试结果显示出良好的一致性。在图5(b)的关断波形中,仅在测试中观察到VDS的明显电压波动。造成这种偏差的原因是缺乏实际主功率回路中与频率相关阻抗的精确模型。这超出了本文的范围,有待作为一个未来的研究方向。



(a)开通波形,左侧
(b)关断波形,右侧
图5:直流电压600V、漏极电流15A试验和仿真开关波形对比

结 论


本文提出了一种新开发的1.2kV/30A SiC MOSFET器件SPICE模型。所建立的SPICE模型具有非线性寄生电容和高达600V的精确输出特性,与测试结果吻合良好。该模型有望在SiC MOSFET栅极驱动电路和主电路设计中广泛应用。
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