碳化硅功率模块的建模和验证

传统的硅功率晶体管在理论上已经被推到了极限。1,2基于宽带隙器件的系统（即碳化硅）已经超越了效率、密度和工作温度方面的限制。3阻断电压与导通电阻之比是由自身较高的碳化硅带隙能量产生的。4这就是基于 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 器件在细分市场中一直占据主导地位，而 SiC MOSFET 是为具有中压 (MV) 级别（即 2 至 10 kV）的应用而完美设计的。5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转换。1这些设备以其可用于海军舰艇、储能系统和高速铁路运输的能力而闻名。6,7,8本文介绍了在 LT spice 中执行的计算能力很强的 MV SiC MOSFET 模型。该单小工具模型用于对 XHV-7 进行建模，XHV-7 是 6.5 kV SiC MOSFET 半连接模块，Cree 正在进行这项工作 | 狼速。1该模型的批准是通过将模型产量与来自双脉冲心跳测试 (DPT) 的观察波形进行对比来执行的，这些波形跨越工作条件范围直至模块评估。所描述的模型旨在解决 MV SiC MOSFET 模块缺乏普遍可访问的 SPICE 模型的问题。请访问原始文章。

中压碳化硅MOSFET模型

通过功率半导体建模，在计算的复杂性和仿真的准确性之间观察到微妙的平衡。用于紧凑系统建模的模型类型9是：

行为的

半物理

物理

行为模型以数学方式显示了设备对刺激的响应，很少或不考虑底层设备物理。

半物理模型描述了半导体物理，伴随着非物理的简化，具有降低计算复杂度的能力。

半导体物理学给出的数学描述被通常按区域分解的基于物理学的模型用于基于特征方程计算器件的响应。

几何特性降低了模型参数的不确定性。本文中给出的 SiC MOSFET 模型是一个模型，它是一个以 Level 3 N-MOS 器件为核心的子电路。1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。

它具有在模拟中适当收敛的能力。

它的一些参数以降低调谐能力而著称。10图 1a 和 b 中显示了 SiC MOSFET 模型的详细图，这表明 CGS 是使用线性电容器实现的，用于捕获 SiC MOSFET 的电压相关电容，而行为电流源用于模拟依赖偏差的 CGD 和 CDS 元素，没有显着的计算开销。1

图 1：碳化硅 MOSFET 模型详图

XHV-7模块型号

基于 6.5 kV SiC 晶体管的模型已在上一节中介绍。为了捕捉多芯片电源模块 MCPM 的行为，有必要考虑开关位置的几何形状和拓扑结构。XHV-7 模型，它是由 Cree 开发的 6.5-kV SiC MOSFET 半桥 MCPM | Wolfspeed 是由单模模型创建的。1图 2 显示了 XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM。1已经注意到，器件封装寄生参数的表征在准确创建 MCPM 模型中起着重要作用。已经报道了有关 XHV-7 寄生电感的详细信息。11

图 2：XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM

实证验证

一个。实验装置

除了工作范围条件外，XHV-7 还在钳位感性负载 CIL 测试台上进行了硬开关，以便生成用于模型验证的时域波形。图 3 清楚地描绘了具有 MV 功能的钳位感性负载 CIL 测试台的概览。1表 1 清楚地显示了对在 LT spice 中重新创建模型很重要的参数的摘要，而表 2 则是关于工作中使用的计量学。1

图 3：MV CIL 测试台

表 1：试验台参数

表 2：测试台的测试计量

湾 实验结果

XHV-7 模块已经在五种直流母线电压条件（1 kV、2 kV、3 kV、4 kV 和 5 kV）下进行了评估，同时正在描述 DPT 实验，这是在三种负载电流条件下完成的（200 A、400 A 和 800 A）。1图 4 是 500-kV、800-A DPT 示波器波形的屏幕截图。根据实验中每个工作条件形成的波形计算的开关能量值已清楚地显示在图 5 中。

图 4：DPT 的示波器屏幕截图

图 5：6.5-kV XHV-7 的开关损耗

我们可以看到，在关断期间，V DS的压摆率为28.5 V/ns，过冲为 1,200 V，而漏极电流的压摆率为 6 A/ns，有少量下冲。1在导通过程中，观察到V DS的压摆率为11.5 V/ns，有一点下冲，而漏极电流的压摆率为 4.5 A/ns，过冲为 175 A。1

从实验中还可以观察到，6.5V XHV 模块的开关能量比传统的基于 Si IGBT 的模块小 12 倍。1表3为不同负载下开关能量的比较

表 3：开关能量比较

C。XHV-7 模型验证

图 6a 和 b 以及图 7 清楚地显示了 LT spice 模型的 XHV-7 预测与五种不同操作条件下的经验 DPT 波形之间的时域比较。

图 6：不同负载下模型预测和经验测量的比较

图 7：不同负载下模型预测和经验测量的比较

结论

在这里可以得出的结论是，很难提供任何类型的 SPICE 模型，这些模型在本质上是准确可靠的，专门用于 MV SiC MOSFET，因为它们并不广泛可用。本文通过以计算方式精确地为在 LT spice 中实现的 MV SiC MOSFET 提供有效的行为模型来解决这个问题。本文给出的SiC MOSFET模型是一个以Level 3 NMOS元件为核心的子电路模型。众所周知，Level 3 NMOS 元件具有显着的优势，例如计算效率、合理的精度以及在模拟中正确收敛的能力。在 25˚C 下，与考虑的 Si IGBT 模块相比，XHV-7 已证明总开关能量大约低 12 倍。

审核编辑：汤梓红