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關於碳化硅功率模塊建模

2021年10月07日 07:00 次閲讀

傳統的硅功率晶體管在理論上已經被推到了極限。寬帶隙功率器件的緊湊模型對於分析和評估它們對電路和系統性能的影響是必要的。帶隙比硅的 1.1 eV 更寬的半導體已經超越了效率、密度和工作温度方面的限制。阻斷電壓和 R DS(on)之間的關係 取決於電壓擊穿值(SiC MOSFET 的帶隙值為 3.26 eV)。對於硅,導通電阻有一個下限,如圖 1 所示的等式所示。

圖 1:硅限制

該方程根據給定擊穿電壓的臨界電場表達了“硅極限”。

由於帶隙較大(2 MV/cm 對 0.5 MV/cm),SiC 中通過碰撞電離產生帶間電子空穴所需的能量比 Si 高得多。

這就是為什麼基於 SiC 的轉換器比基於硅的轉換器更有效地用於更高電壓級別的原因。歷史上,硅 IGBT 器件在細分市場中一直佔據主導地位,而 SiC MOSFET 是為具有中壓水平(即 2 至 10 kV)的應用而完美設計的。

此外,據觀察,與以效率和高功率密度而聞名的 Si IGBT 相比,SiC MOSFET 能夠以更快的速度執行開關操作。這些設備因用於海軍艦艇、儲能系統和高速鐵路運輸而聞名。

儘管如此,寬帶隙器件的極快開關和其他優越特性也對其應用提出了嚴峻挑戰。挑戰包括大於 100 V/ns 的 dV/dt 壓擺率和在整個轉換器中普遍存在的極高相應 di/dt 壓擺率、增強的電磁干擾發射、具有相應絕緣要求的高達數十千伏的單設備阻斷電壓、開關頻率在數百千赫到兆赫範圍內,結温超過 200°C。

本文提及的是一款中壓 SiC MOSFET XHV-7,這是一款由 Cree Wolfspeed 製造的 6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊(圖 2)。該模型的批准是通過將模型產量與來自雙脈衝測試的觀察波形進行對比來執行的,這些波形來自工作條件範圍直至模塊評估。

本文是針對中壓 SiC MOSFET 模塊缺乏普遍可訪問的 SPICE 模型的潛在進展。

中壓 SiC MOSFET 模型

在對半導體器件建模時,從行為分析到器件物理,基本上有三個抽象層次:

 

  • 行為的
  • 半物理
  • 物理

 

行為模型在不考慮其物理操作機制的情況下模擬功率器件,它們通常使用數學擬合方法來實現。

使用半物理範例,標準的低壓器件模型適用於高壓功率器件建模。因此,一些器件模型參數和方程的物理意義可能會丟失。

第三種模型類型基於半導體物理學;熱和電行為的描述是通過數值求解物理方程得出的。

通常,可以使用具有 Level 3 NMOS 器件核心的子電路對 SiC MOSFET 進行建模。

眾所周知,Level 3 NMOS 具有以下顯着優勢:

它在計算上是有效的。

它以其合理的準確性而聞名。

它具有在模擬中正確收斂的能力。

在 SiC MOSFET 模型中,CGS 使用線性電容器實現,以對 SiC MOSFET 的電壓相關電容進行建模,而行為電流源用於對偏置相關 CGD 和 CDS 元件進行建模,而無需大量計算開銷。

SPICE MOSFET 電平比較

第一代 SPICE 仿真程序使用的 MOSFET 模型可以分為三類:

級別 1 為時序計算和低仿真時間提供了高準確度。也稱為 Schichman-Hodges 模型,級別 1 適用於柵極長度大於 10 µm 的器件。通道長度調製通過使用參數 L 建模。跨導用於考慮體偏置。Level 1 模型不包括載流子飽和效應、載流子遷移率退化或弱反轉模型。

在級別 2 中,考慮了大量電荷效應。也稱為 Grove-Frohman 模型,假設閾值電壓恆定且僅隨襯底電壓變化,則不考慮短溝道效應。它用於柵極長度約為 10 µm 的器件。級別 2 修改漏極電流以包括由 λ 參數建模的通道長度調製。

在第 3 級(經驗模型)中,精度與第 3 級相似,但仿真時間更短且趨於收斂。包括通過橫向場(如物理效應)引起的漏極誘導勢壘降低和遷移率降低。經驗模型適用於大約 2 µm 的柵極長度。

模型驗證

用於在中壓應用中執行 XHV-7 模型驗證的測試台包括一個鉗位感性負載,以便在時域中生成波形。

表 1 顯示了用於重建 LT SPICE 模型的參數,特別是稱為 RSHUNT 的電阻分流器,用於測量直流電流,其值為 2.5 mΩ。

參數 EPC 在 Efficient Power Conversion 給出的模型中定義。

表 1:Wolfspeed LT SPICE 參數

實驗裝置包括以下儀器:

MS058 泰克八通道示波器

TIVH05 泰克光電壓探頭 @ f = 500 MHz

THDP0100 泰克 6-kV 差分探頭 @ f = 100 MHz

T&M Research W-2-0025-4FC 25-mΩ 分流器 @ f = 400 MHz

Pearson CT 型號 411 電流互感器 @ f = 20 MHz

實驗結果

3,600-V 總線電壓和 200-、400- 和 800-A 負載電流的實驗結果表明,6.5-kV XHV-7 模塊和 6.5-kV 硅 IGBT 之間的開關損耗降低了 12倍(表 2)模塊在 25°C 的温度下用於以毫焦耳為單位的開關能量要求。

表 2:XHV-7 模塊的開關損耗

五種不同操作條件下時域經驗預測(實線)和時域 LT SPICE 模型(虛線)之間的比較顯示出基本一致(圖 3)。

圖 3:經驗實驗數據與 LT SPICE 模型的比較

  結論

對於能帶隙比硅更寬的半導體(例如碳化硅),到目前為止,我們還沒有專門構思出 SPICE 模型。因此,我們需要一個實驗測試平台來繪製 I D與 V DS 的關係圖。

從實驗數據中,我們在經驗模型和凌力爾特標準 PSPICE 實現之間得出了很大的一致性。

LT SPICE 仿真器中使用的合適模型可以通過從實驗設置中獲取的參數提取來推導出來。

編輯:hfy

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