碳化硅功率模块建模

传统的硅功率晶体管在理论上已经被推到了极限。宽带隙功率器件的紧凑模型对于分析和评估它们对电路和系统性能的影响是必要的。带隙比硅的 1.1 eV 更宽的半导体已经超越了效率、密度和工作温度方面的限制。阻断电压和 R DS(on)之间的关系 取决于电压击穿值（SiC MOSFET 的带隙值为 3.26 eV）。对于硅，导通电阻有一个下限，如图 1 所示的等式所示。

图 1：硅限制

该方程根据给定击穿电压的临界电场表达了“硅极限”。

由于带隙较大（2 MV/cm 对 0.5 MV/cm），SiC 中通过碰撞电离产生带间电子空穴所需的能量比 Si 高得多。

这就是为什么基于 SiC 的转换器比基于硅的转换器更有效地用于更高电压级别的原因。历史上，硅 IGBT 器件在细分市场中占据主导地位，而 SiC MOSFET 完美地设计用于具有中压水平（即 2 至 10 kV）的应用。

此外，据观察，与以效率和高功率密度而闻名的 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 能够以更快的速度执行开关操作。这些设备以用于海军舰艇、储能系统和高速铁路运输而闻名。

尽管如此，宽带隙器件的极快开关和其他优越特性也对其应用提出了严峻挑战。挑战包括大于 100 V/ns 的 dV/dt 压摆率和在整个转换器中普遍存在的极高相应 di/dt 压摆率、增强的电磁干扰发射、具有相应绝缘要求的高达数十千伏的单设备阻断电压、开关频率在数百千赫到兆赫范围内，结温超过 200°C。

本文提及的是一款中压 SiC MOSFET XHV-7，这是一款由 Cree Wolfspeed 制造的 6.5 kV SiC MOSFET 半连接模块（图 2）。该模型的批准是通过将模型产量与来自双脉冲测试的观察波形进行对比来执行的，这些波形来自工作条件范围直至模块评估。

本文是针对中压 SiC MOSFET 模块缺乏普遍可访问的 SPICE 模型的潜在进展。

图 2：6.5-kV SiC MOSFET 半连接模块

中压 SiC MOSFET 模型

在对半导体器件建模时，从行为分析到器件物理，基本上有三个抽象层次：

1. 行为的
2. 半物理
3. 物理

行为模型在不考虑其物理操作机制的情况下模拟功率器件，它们通常使用数学拟合方法来实现。

使用半物理范例，标准的低压器件模型适用于高压功率器件建模。因此，一些器件模型参数和方程的物理意义可能会丢失。

第三种模型类型基于半导体物理学；热和电行为的描述是通过数值求解物理方程得出的。

通常，可以使用具有 Level 3 NMOS 器件核心的子电路对 SiC MOSFET 进行建模。

众所周知，Level 3 NMOS 具有以下显着优势：

• 它在计算上是有效的。
• 它以其合理的准确性而闻名。
• 它具有在模拟中正确收敛的能力。

在 SiC MOSFET 模型中，CGS 使用线性电容器实现，以模拟 SiC MOSFET 的电压相关电容，而行为电流源用于模拟偏置相关的 CGD 和 CDS 元件，而无需大量计算开销。

SPICE MOSFET 电平比较

第一代 SPICE 仿真程序使用的 MOSFET 模型可以分为三类：

1. 级别 1 为时序计算和低仿真时间提供了高准确度。也称为 Schichman-Hodges 模型，级别 1 适用于栅极长度大于 10 µm 的器件。通道长度调制通过使用参数 L 建模。跨导用于考虑体偏置。Level 1 模型不包括载流子饱和效应、载流子迁移率退化或弱反转模型。
2. 在级别 2 中，考虑了大量电荷效应。也称为 Grove-Frohman 模型，假设阈值电压恒定且仅随衬底电压变化，则不考虑短沟道效应。它用于栅极长度约为 10 µm 的器件。级别 2 修改漏极电流以包括由 λ 参数建模的通道长度调制。
3. 在第 3 级（经验模型）中，精度与第 3 级相似，但仿真时间更短且趋于收敛。包括通过横向场（如物理效应）引起的漏极诱导势垒降低和迁移率降低。经验模型适用于大约 2 µm 的栅极长度。

模型验证

用于在中压应用中执行 XHV-7 模型验证的测试台包括一个钳位感性负载，以便在时域中生成波形。

表 1 显示了用于重建 LT SPICE 模型的参数，特别是称为 RSHUNT 的电阻分流器，用于测量直流电流，其值为 2.5 mΩ。

参数 EPC 在 Efficient Power Conversion 给出的模型中定义。

表 1：Wolfspeed LT SPICE 参数

实验装置包括以下仪器：

• MS058 泰克八通道示波器
• TIVH05 泰克光电压探头 @ f = 500 MHz
• THDP0100 泰克 6-kV 差分探头 @ f = 100 MHz
• T&M Research W-2-0025-4FC 25-mΩ 分流器 @ f = 400 MHz
• Pearson CT 型号 411 电流互感器 @ f = 20 MHz

实验结果

3,600-V 总线电压和 200-、400- 和 800-A 负载电流的实验结果还表明，6.5-kV XHV-7 模块和 6.5-kV 硅 IGBT 之间的开关损耗降低了 12倍（表 2）模块在 25°C 的温度下用于以毫焦耳为单位的开关能量要求。

表 2：XHV-7 模块的开关损耗

五种不同操作条件下时域经验预测（实线）和时域 LT SPICE 模型（虚线）之间的比较显示出基本一致（图 3）。

图 3：经验实验数据与 LT SPICE 模型的比较

结论

对于能带隙比硅更宽的半导体（例如碳化硅），到目前为止，我们还没有专门构思出 SPICE 模型。因此，我们需要一个实验测试平台来绘制 I D与 V DS 的关系图。

从实验数据中，我们在经验模型和凌力尔特标准 PSPICE 实现之间得出了很大的一致性。

LT SPICE 仿真器中使用的合适模型可以通过从实验设置中获取的参数提取来推导出来。