基于SIMPLIS软件的功率MOSFET寄生参数仿真研究

冯兴田，王世豪，邵 康

（中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580）

0 引言

功率器件MOSFET广泛应用于短路保护、电动机控制、开关电路［1-4］等场合，不同的设计需求促生了MOSFET的多种类型和有效的设计使用方法。文献［5］中通过采用新结构、新材料、新工艺等技术来提升功率MOSFET的性能，突破了传统MOSFET硅极限和SJ MOSFET硅极限关系，设计了一种高效节能的功率MOSFET。文献［6］中结合SiC MOSFET的参数特性及驱动要求，采用了一种栅极有源箝位串扰抑制方法，设计了一种高效的SiC MOSFET 驱动电路。文献［7］中则在Si基横向双扩散MOSFET模型的基础上，采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值电压的变化，设计了一种减少工作温度影响的SiC 功率MOSFET。

功率MOSFET在开关过程中要跨越线性工作区，形成电流和电压的交错区，从而产生一定的损耗，米勒平台就是在这个过程中形成的一段时间相对稳定的线性区［8-9］。在MOSFET 的关断过程中，不同的寄生参数会改变电路中米勒平台的持续时间，导致关断时间过长，使MOSFET构成的高性能变换器失去零电压开关的优点［10］。

本文基于SIMPLIS 仿真软件和实际MOSFET 特点，建立MOSFET 的仿真模型，进行MOSFET 寄生参数影响的研究，获取寄生参数影响规律。通过直观的仿真模型、仿真数据及波形，将抽象的内部参数关系展示给学生，便于学生理解和掌握该部分知识，在激发学生学习兴趣的同时，加深学生对MOSFET 器件性能的理解。

1 MOSFET寄生参数分析建模

为兼顾仿真速度和仿真精度，本文选用SIMPLIS软件对MOSFET的寄生参数进行仿真分析。SIMPLIS软件是以状态空间法为基础的仿真内核，对非线性器件可以采用分段线性建模，将一个完整的系统定义为线性电路结构的循环序列，以描述开关电源系统中半导体器件的开关特性。它可以实现电源电路的高速仿真，且能够将仿真精度与收敛性能有效结合［11-13］。

图1 所示为在SIMPLIS软件中搭建的MOSFET仿真模型。针对MOSFET 的寄生电容进行分段线性建模，根据内部器件的工作原理确定其转移特性、输出特性和图像数据完成对MOSFET的建模。

图1 Simplis中搭建的MOSFET模型

图中：Cgs、Cgd、Cds为MOSFET寄生电容，均采用分段线性（Piecewise linear，PWL）电容建模；G1为压控电流源；Rline为分段线性电阻；S1为压控晶体管。PWL电容器由xy平面上的一系列点定义，电荷（q）在垂直轴y上，电压（u）在水平轴x 上。按照这个定义，随着电容器两端的电压变化，电荷始终是连续的。SIMPLIS软件可以将一定电压范围内的PWL 电容器的q-u 特性定义为任意段。为了兼顾仿真速度与仿真精度，将MOSFET中的寄生电容参数线性段分为10 段。

线性电容的q-u表达式为

非线性电容的q-u表达式为：

本文研究的MOSFET型号为C2M0080120D，在其数据手册中，官方给出了输入电容（漏源极短接，用交流信号测得栅极和源极之间的电容就是输入电容Ciss，Ciss由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成）、输出电容（栅源极短接，用交流信号测得漏极和源极之间的电容就是输出电容Coss，Coss由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成）、反向传输电容（源极接地情况下，测得漏极和栅极之间的电容为反向传输电容Crss，反向传输电容等同于栅漏电容Cgd）的电容-电压曲线，Cgs和Cds可以由各电容并联关系计算得出。

利用数据提取软件采集数据手册中的图像数据和利用Matlab软件对数据进行处理，得到的Ciss、Coss、Crss数据曲线如图2 所示。Cgs、Cds、Cgd实际参数曲线及其PWL模型参数对比曲线如图3 所示。Cgs、Cds、Cgd实际模型及其PWL 模型的电荷-电压对比曲线如图4所示。

图2 Ciss、Coss、Crss数据曲线

图3 Cgs、Cds、Cgd实际参数曲线及其PWL模型参数曲线

图4 Cgs、Cds、Cgd实际模型及其PWL模型的Q-u曲线

完成MOSFET寄生电容的分段线性建模之后，需要根据SIMPLIS中搭建的MOSFET模型的内部器件的工作原理，来探究MOSFET 的转移特性和输出特性，从而准确得到MOSFET的仿真模型。图5 为针对图1中压控晶体管S1的分析，其中，图5（a）为S1的原理示意图，图5（b）为S1导通和关断状态下的等效电路，图5（c）为S1工作特性图。

图5 压控晶体管S1的原理示意图、等效电路及工作特性图

MOSFET的转移特性可以表示为：

通过Rline可以控制gain，将MOSFET 的转移特性进行分段控制，当Usat设置为0 时，可变电阻区内任意ugs下MOSFET 导通电阻为Rsat固定值，这一点与实际特性不符，但在研究MOSFET关断特性时，MOSFET导通电阻几乎不影响关断过程。所以MOSFET 在饱和区以及可变电阻区的输出特性可以由图1 中的G1、Rline和S1联合表达。经过上述方法对这种MOSFET的建模见表1。

表1 各寄生电容的分段参数

2 仿真设计与分析

为分析不同电路条件下MOSFET 的关断过程，搭建以C2M0080120D 型号MOSFET 为开关器件的半桥LLC谐振变换器［14-15］仿真模型，如图6 所示。

在5、20 Ω两种不同驱动电阻条件下，MOSFET的仿真关断过程（电路电流为8.8 A）如图7 所示。从仿真波形可见，MOSFET开关管在5 Ω驱动电阻下，触发脉冲关断时，ugs迅速下降，并不存在明显的米勒平台，设定MOSFET工作在饱和区的时间为米勒平台时间，此时米勒平台的持续时间为10.37 ns，当米勒平台结束时，开关管漏源极并未充至电源电压。当驱动电阻为20 Ω时，米勒平台的持续时间为44.48 ns，当米勒平台结束时，开关管漏源极已经完全充至电源电压。

图6 电路仿真模型

图7 不同驱动电阻下的仿真关断过程

图8 不同工作电流条件下的关断波形

在5 Ω 驱动电阻不变情况下，MOSFET 在不同工作电流下的关断波形如图8 所示。电路工作电流8.8A时，虽然MOSFET 的总体关断时间较短，但米勒平台的持续时间为10.37 ns；而当工作电流减小至1.8 A时，总体关断时间增长，但米勒平台的持续时间减小至6.67 ns。

根据仿真结果分析可知：驱动电阻越小，同等条件下米勒平台持续时间越短，这是由于同等Cgd放电电流idg条件下，小驱动电阻产生的反馈电压越小；这种反馈作用越小，米勒平台的电压值以及持续时间就越小。电路中的工作电流越小，在整个关断时间内，给寄生电容放电的电流越小，同样会降低米勒平台的幅值以及关断时间；当工作电流小到一定值时，米勒平台几乎不存在。

3 结语

本文基于SIMPLIS软件对功率器件MOSFET的寄生参数进行仿真，分析并验证了MOSFET 仿真参数关断时间的影响规律。通过建模分析以及一系列的仿真训练，能够加深学生对电力电子器件的理解，强化“电力电子技术”课程的教学研究，提高学生采用SIMPLIS、Matlab软件进行仿真分析的能力，有助于激发学生的学习科研兴趣。