基于ABM 器件的SiC MOSFET 建模研究

王迪迪 ,宁平凡 ,刘 婕 ,张永刚

(1.天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387;2.天津工业大学 电子与信息工程学院,天津 300387;3.大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心,天津 300387)

SiC MOSFET 以其耐高温、工作频率高和功率损耗低等优势,具有广泛的应用前景[1-3]。由于精确的器件模型是电路设计和系统开发的基础,SiC MOSFET 的建模研究逐渐成为科研人员关注的热点。国内外研究学者提出许多模型,其中萨支唐等提出的MOS 晶体管模型[4]和北卡罗来纳州立大学王军等提出的变温参数模型[5]具有普遍的指导意义,随后衍生出变温参数改进模型、开关损耗模型和等效电路模型[6-9]等。然而大多都是在恒温下基于Cadence 软件对器件进行建模研究,对于模型在温度变化方面的研究仍有不足,特别是温度变化对阈值电压和导通电阻的影响研究。

目前许多新型SiC MOSFET 器件并没有可以直接使用的仿真模型,需要自行建模才能对其开展仿真研究[10-11]。PSpice 软件具有功能强大、元件库多和仿真接近真实等优点,成为研究器件模型的主要工具[7]。其自带的Model Editor 可直接建立SiC MOSFET 模型,但该模型存在阈值电压不随温度变化的问题,对变温下器件的开关过程模拟不准确。

为了建立更为精确的模型,本文提出一种基于ABM 器件建立的SiC MOSFET 模型,该模型基于萨支唐方程进行改进[4,12],引入阈值电压和跨导系数的温度调节函数建立沟道电流模型,基于压控电阻原理引入温度和栅源电压建立温压导通电阻模型,利用ABM器件的函数编辑功能,取代压控开关器件建立无开关压控栅漏电容模型[13-16]。通过对这三个部分的改进,建立了更为精确的SiC MOSFET 模型,对模拟高温高频下器件的开关过程有重要意义,并对建模具有一定的借鉴意义。

1 SiC MOSFET 模块化建模

本文将整体模型分为沟道电流、内部电阻、极间电容和体二极管4 个部分分别建模,其结构如图1 所示[3]。建模思路是对SiC MOSFET 模型的沟道电流、导通电阻、栅漏电容三个部分进行改进;通过Origin软件处理数据表的曲线,得到相应的数字化数据;利用1STOPT 软件对改进后的模型公式拟合编程,提取模型参数;使用PSpice 软件中的ABM 器件完成模型的搭建[14],以打包子电路的方式建立模型。SiC MOSFET 模块化建模思想及流程如图2 所示。

图1 整体模型结构图[3]Fig.1 Overall model structure diagram[3]

图2 SiC MOSFET 模块化建模思想及流程Fig.2 SiC MOSFET modular modeling ideas and processes

1.1 沟道电流模型改进

通过在萨支唐方程的基础上进行改进后,采用电压控制电流源模拟沟道电流的工作特性,建立沟道电流模型。萨支唐方程如式(1)所示,由于沟道长度L、沟道宽度W都是定值,改进后采用一个模型参量KPnom进行拟合[4,8];考虑到跨导系数的负温度关系,引入温度调节函数见式(2);依据数据表可知阈值电压随温度的升高而减小,引入阈值电压的温度调节系数见式(3);最终建立改进后的沟道电流模型,如式(4)所示。

式中:μ为载流子的迁移率;Cox为单位栅电容大小;W和L分别为沟道宽度和长度;VT为阈值电压。

式中:KP为跨导增益变量;KPnom为室温25 ℃下的跨导拟合参数;Tnom代表室温;T为仿真温度。

式中:Vth为阈值电压;Vthnom为室温下的阈值电压拟合参数。

依据数据表中提供的静态特性曲线,使用拟合软件对模型公式进行编程,即可得到沟道电流模型的相关参数,模型参数拟合结果如表1 所示。与使用建模工具Model Editor 建立的模型相比,省去了大量的数据处理和参数(L、W、Cox等)提取过程,只需要依据数据表提取KPnom、Vthnom和m参数即可,参数少使得模型建立更加便捷简单,同时优化了模型仿真的收敛性。更重要的是解决了阈值电压不随温度变化的问题,使建立的模型更加精确。

表1 沟道电流模型参数拟合结果Tab.1 Channel current model parameter fitting results

1.2 沟道电流模型改进

导通电阻模型通常直接使用定值电阻对其进行模拟,也有使用PSpice 软件中的Rbreak 电阻(考虑了温度参数)进行建模。由数据表可知Rds_on既与温度有关,随温度的上升而增大,也与栅源电压Vgs有关,随Vgs的增大而减小。其不能精确地模拟导通电阻的真实情况,使得器件的开关损耗和静态特性不准确。

为了建立更为精确的导通电阻模型,本文对压控电阻模型[14,17-18]进行改进,引入温度和栅源电压参数建立温压导通电阻模型。根据数据表中提供的Rds_on-T曲线,建立R(T)的二阶温度函数,如式(5)所示;根据数据表中提供的Rds_on-Vgs曲线,建立R(V)的指数函数,如式(6)所示。联合这两个函数可得到导通电阻的模型公式,如式(7)所示。依据数据表提供的Rds_on-T和Rds_on-Vgs曲线数据,使用拟合软件对模型公式进行编程,得到温压导通电阻模型的相关拟合参数,结果如表2 所示。

表2 导通电阻模型参数拟合结果Tab.2 On-resistance model parameter fitting result table

式中:T为工作温度;Tc1和Tc2分别为一次和二次温度系数。

式中:a、b、c、d为压控电阻的模型参数,只有数值含义。

1.3 栅漏电容模型改进

模型的极间电容包括栅漏电容Cgd、漏源电容Cds和栅源电容Cgs,而栅源电容Cgs视为定值电容直接建模,为了避免Cds的重复建模,将其与体二极管Db的结电容联合建模[18-19]。因此本节主要对栅漏电容进行改进建模。

SiC MOSFET 器件的Cgd模型主要有两类,包括开关电容模型和组合电容模型[3,9]。其原理都是以栅漏电压Vgd的正负为判断依据,当Vgd>0 时,将Cgd作为一个定值电容来建模;当Vgd<0 时,Cgd的容值会随着漏极电压的增大而减小,是一个非线性的函数关系[18]。其区别是对两条支路的电容选择的方式不一样,前者使用压控开关器件实现不同电容的切换,后者利用PN结的通断进行选择。

本节对压控开关电容模型进行改进,利用ABM器件优秀的函数编辑功能,直接使用函数语句选择不同支路的电容,建立非线性无开关压控栅漏电容模型,如式(8)所示。该模型巧妙地利用绝对值函数和IF 语句代替了开关器件,减少了开关器件和节点数量,在一定程度上解决了由节点过多带来的仿真不收敛问题。

式中:a1、b1、c1为Cgd模型参数,只有数值大小。

式中:Ciss为输入电容;Coss为输出电容;Crss为反向传输电容。

根据数据表中提供的输入电容Ciss、输出电容Coss和反向传输电容Crss的曲线信息,利用极间电容与其满足式(9)的关系,得到栅漏电容与Vgd的曲线关系。经过对Crss曲线的数据拟合,得到的模型参数,如表3所示,其中参数a1与Cmax大小相等,说明分段处连续。

表3 栅漏电容模型参数拟合结果Tab.3 Fitting results of gate-drain capacitance model parameters

1.4 体二极管建模

由于SiC 二极管和Si 二极管的特性差异不是很大,本文使用软件自带的建模工具Model Editor,结合数据表提供的体二极管信息直接建立二极管模型。

2 模型搭建与仿真验证

2.1 沟道电流模型搭建与验证

依据改进后沟道电流模型公式,使用ABM 库里的器件对模型公式进行编辑,采用电压控制电流源EVALUE器件[16,20],实现沟道电流的功能,最后采用打包子电路的方式建立沟道电流模型,其模型如图3 所示。

图3 沟道电流模型Fig.3 Channel current model

搭建沟道电流模型的静态仿真电路,验证模型的静态特性(转移特性和输出特性)。其中转移特性仿真设置为:Vds为定值20 V,温度分别为25 ℃和135 ℃,直流扫描Vgs在0～20 V 内变化,转移特性仿真结果如图4 所示;输出特性仿真设置为:室温25 ℃,在不同电压Vgs(10～20 V)下,直流扫描Vds在0～20 V 内变化,输出特性仿真结果如图5 所示。

图4 转移特性仿真结果Fig.4 Simulation results of transfer characteristics

图5 输出特性仿真结果Fig.5 Output characteristic simulation results

通过将仿真结果与数据表对应曲线对比,显示出一致性,表明该模型修正了温度对跨导系数和阈值电压的影响,验证了沟道电流模型的准确性。

2.2 导通电阻模型搭建与验证

导通电阻的模型使用压控电阻模型进行建模。根据数据表中提供的Rds_on-T和Rds_on-Vgs曲线数据,利用ABM 库里的器件将R(T)与R(V)表示出来,以电压的形式输出给压控电阻的控制端,用于控制电阻值的大小,从而建立温度与Vgs联合控制的导通电阻模型,搭建结果如图6 所示。

图6 导通电阻模型Fig.6 On-resistance model circuit diagram

搭建导通电阻模型的仿真实验电路,验证模型是否满足压控以及温控功能。在25 ℃下扫描栅源电压Vgs建立仿真,得到不同Vgs下导通电阻仿真结果,如图7 所示;在25 ℃和135 ℃下扫描Vgs建立仿真,得到不同温度下的导通电阻仿真结果,如图8 所示。仿真与数据表对比的结果表明:本文建立的压控电阻模型能够满足温度的关系,具有良好的温控特性和压控特性,可以很好地反映温度变化对电阻的影响,验证了导通电阻模型的准确性。

图7 不同Vgs下导通电阻仿真结果Fig.7 Simulation results of different Vgs on-resistance

图8 不同温度下导通电阻仿真结果Fig.8 Simulation results of on-resistance at different temperatures

2.3 栅漏电容模型搭建与验证

依据上述原理搭建Cgd模型,通过使用ABM 器件,结合函数语句控制模型的开关,实现开关电容Cgd的功能,建立如图9 所示的栅漏电容模型。

图9 栅漏电容模型Fig.9 Gate-drain capacitor model

搭建Cgd模型的仿真测试电路,通过在栅极和漏极之间施加-200～40 V 电压,测量节点CTRL(见图9)处的电压值,验证Cgd模型的压控功能,仿真结果如图10 所示。

图10 栅漏电容仿真结果Fig.10 Gate-drain capacitance simulation results

仿真结果表明:栅漏电容的模型,在Vgd>0 时,为一个恒定电容;在Vgd<0 时,容值随Vgd的增大而非线性地减小,可以实现开关电容的功能,结果与原理分析一致,验证了模型的准确性。

2.4 整体模型仿真验证

将上面建立的各部分模型进行组合搭建SiC MOSFET 的整体模型,并搭建整体模型双脉冲仿真电路[15](如图11 所示),验证整体模型的准确性。通过测量双脉冲仿真电感电流IL1的仿真结果(如图12 所示),验证体二极管的续流特性;通过测量双脉冲仿真体二极管电压VDb的仿真结果(如图13 所示),验证整体模型的开关特性。

图11 整体模型双脉冲仿真电路图Fig.11 Overall model double pulse simulation circuit diagram

图12 双脉冲仿真IL1仿真结果Fig.12 IL1 simulation results of double pulse simulation

图13 双脉冲仿真VDb仿真结果Fig.13 VDb simulation results of double pulse simulation

仿真结果表明:SiC MOSFET 模型能够准确地模拟器件开关,当器件第一次导通时,电感电流IL1逐渐增加;当其关断时,由于体二级管Db 的续流作用,IL1的大小和方向维持不变;当其第二次导通时,IL1在第一次的基础上继续增大。理论与仿真结果对应,说明整体模型的准确性。

3 结论

本文基于ABM 器件建立了一种适应温度变化的SiC MOSFET 模型。该模型从三个方面进行了改进,首先针对阈值电压不随温度变化问题,引入阈值电压与跨导系数的温度调节函数建立沟道电流模型;然后针对传统模型没有考虑栅源电压对导通电阻的影响问题,引入温度和栅源电压联合参数建立导通电阻模型;最后利用ABM 器件的函数编辑功能,建立无开关栅漏电容模型。并且搭建各部分模型和整体模型的仿真电路,将仿真结果与数据表数据进行对比,验证本文模型的准确性。该模型省去了压控开关器件,减少了节点数量,在一定程度上解决了模型由于节点过多导致的仿真不收敛问题,并简化了模型,对器件建模具有一定的借鉴意义。