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  • SiC MOSFET SPICE模型的對比圖文介紹
    • 發布時間:2023-06-29 20:47:24
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    SiC MOSFET SPICE模型的對比圖文介紹
    一些SiC MOSFET制造廠商提供SiC器件的SPICE模型,從而可以評估SiC器件在電力電子變換電路中的表現。
    本文針對商用分立SiC MOSFET的兩種SPICE模型做了對比。一種是廣泛應用的制造商提供SPICE模型,這種模型在制造商的官網可以免費下載。另外一種是基于Simplorer模型新開發的SPICE模型。后一種模型可以成功描述SiC MOSFET寄生電容與極間電壓的非線性關系。
    兩種模型的準確性通過仿真與實測的開關波形來驗證,重點對比了dvDS/dt, diD/dt和高頻下對散熱器的漏電流。
    SiC MOSFET SPICE模型對比
    圖1為一種SiC MOSFET器件SPICE模型的電路原理圖,包含三個電極(柵極、漏極和源極)、一個SiC MOSFET內核(用以描述其輸出特性)、寄生電容(CDG、CDS、CGS)、內部柵極電阻RGint、寄生雜散電感(LG、LS、LD)。
    SiC MOSFET SPICE模型
    圖1:一種SPICE模型的電路原理圖
    表Ⅰ為SPICE模型的組成元件對比。
    為了實現精確的SPICE模型,內部柵極電阻是不可或缺的,盡管其相對于外部柵極電阻阻值較小,但是內部柵極電阻上面的壓降補償能夠使柵源極電壓更加精確,進而影響SiC MOSFET的輸出特性。
    制造商的SPICE模型設定內部柵極電阻為4.6Ω,這是一個典型值并被標注在規格書中。而新的模型基于LCR測量法設定為3.6Ω。這些內部柵極電阻的阻值在SPICE庫文件(.lib)里面是需要被定義的。
    無論對分立器件還是模塊,封裝的雜散電感取值一直是器件建模的爭議點。制造商的SPICE模型中,柵極雜散電感為15nH,漏極雜散電感為6nH,源極雜散電感為9nH,但是這些雜散電感感值的取值方法并未透漏。
    新SPICE模型設置漏極電感為2.5nH,源極電感為4.5nH,并且設置他們之間的耦合系數k為0.46。這些參數是通過文獻所述的實驗方法獲得的。
    新SPICE模型的雜散電感比制造商的SPICE模型的一半還小,并且是通過實驗數據得到的。這些雜散電感的感值在SPICE庫文件(.lib)里面也是需要被定義的。
    表Ⅰ:兩種SPICE模型的詳細對比
    SiC MOSFET SPICE模型
    輸出特性是MOSFET內核模型的基本特性。
    制造商的模型采用改進的EKV模型,此模型的公式如附錄1所示。新模型在線性區采用物理模型,對飽和區采用行為近似。輸出特性模型采用了電壓控制電流源。
    眾所周知,寄生電容是決定器件開關特性的最重要元件。
    如表Ⅰ所示,制造商的模型中,CDG是非線性的,且僅與VDG電壓相關,采用具有雙曲轉移函數的電壓控制電流源(轉移電導G)來近似模擬CDG隨VDG電壓升高而逐漸下降的特性。
    CDS與VDS電壓相關。采用體二極管子電路模型的結電容來表示CDS。另外,體二極管還有一個與diD/dVDS成比例的擴散電容。對于CGS,設定為恒定值950pF。
    然而,新SPICE模型,CDG與VGS、VDS電壓相關,CDS也與VGS、VDS電壓相關。VGS依賴性表示MOSFET處于通態狀態時的電容值。利用電壓控制電流源對VDS的指數近似和對VGS的雙曲近似來表示CDG。
    同樣,利用電壓控制電流源對VDS和VGS的sigmoid函數近似來表示CDS。對于CGS,新模型采用依賴于VGS的模型。從表Ⅰ可以看出,與制造商模型相比,新模型的寄生電容模型較為復雜。
    開關波形對比
    通過帶電感負載的雙脈沖開關試驗來驗證以上模型。如圖2所示的開關測試試驗裝置,包含下橋臂SiC MOSFET(待測器件),作為續流二極管用的上橋臂SiC MOSFET,與之串聯的直流支撐電容,與上橋臂SiC MOSFET并聯的空心電感,以及商用化的柵極驅動電路(GDU40-2)。
    SiC MOSFET SPICE模型
    圖2:帶電感負載的雙脈沖開關試驗裝置
    圖3為兩種模型在漏極電流為20A時VDS、iD和高頻漏電流的瞬態仿真波形與實測結果對比。從圖中可以看出,新模型的仿真波形與實測波形吻合較好,而制造商模型的仿真波結果比實測結果具有更快的響應速度。這種改進主要歸功于非線性電容模型在新SPICE模型中的成功應用。
    表Ⅱ總結了dvDS /dt、diD/dt在開通和關斷米勒平臺時的兩種模型對比。
    SiC MOSFET SPICE模型
    高頻漏電流的對比直接反映了兩種模型的dvDS /dt。
    圖3:漏極電流為20A時的仿真與實測開關波形對比
    表Ⅱ:dvDS/dt和diD/dt對比
    SiC MOSFET SPICE模型
    本文對分立SiCMOSFET器件的兩種SPICE模型做了對比研究。結果顯示,新模型相對于制造商模型在開關波形、dvDS /dt、diD/dt和對散熱器高頻漏電流方面的精確度有顯著的提高。新模型的優異性能表明最新SPICE建模技術還有很大發展空間。
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