CN110851772A - 一种基于双脉冲测试平台的碳化硅mosfet的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，对传统开关模型进行改进，获得简单精确的开关行为模型，以满足对器件特性进行仿真分析过程中的精确度需求和计算速度的需求。包括如下步骤：（1）搭建双脉冲测试平台；（2）理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立理想状态下的状态空间方程；（3）非理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立非理想状态下的状态空间方程；（4）采用状态变量的差商代替微商的方法对状态方程进行离散化；（5）在MATLAB\simulink中实现模型。通过该建模方法能够建立既简单又精确的碳化硅MOSFET仿真模型，并且建模方法具有通用性。
Description
技术领域
本发明属于碳化硅MOSFET 器件的技术领域，具体涉及一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法。
背景技术
与 Si 相比，碳化硅( SiC) 有着宽禁带、高热导率、高击穿电场等优点，在高压、高温、高效率及高功率密度等场合有着广阔的应用前景。
目前根据建立碳化硅MOSFET模型所使用的方法，可以将现有的MOSFET模型分为五个不同的类型：数值模型、半数值模型、物理模型、半物理模型和行为模型。相对于其他模型，行为模型不需要考虑器件内部的物理关系，并且行为模型通常使用的是数学拟合方法来实现。行为模型的相关的参数一般没有直接的物理意义。而行为模型具有简单并且耗时较少的优点，但现有的行为模型的精确度不够高。现有的碳化硅MOSFET模型或者过于复杂，计算时间长，或者模型不够精确，不利于器件性能评估以及系统设计和功率转换器行为预测，使得碳化硅 MOSFET 应用开发的周期过长。
现有模型考虑了在开关回路中的寄生电感和非线性电容，但是没有考虑到碳化硅MOSFET开关门极回路中的栅极电流 Ig对功率回路的影响和沟道电流Ich的非线性特性。因此现有模型的精确度是不够的，不利于开关特性的分析。
发明内容
本发明的目的旨在解决上述缺陷。
为此，本发明的目的在于提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，在充分考虑寄生参数与沟道电流的非线性特性的前提下，建立一个简单精确的碳化硅MOSFET模型。该方法包括如下步骤：
（1）搭建双脉冲测试平台；
（2）理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立理想状态下的状态空间方程。
（3）非理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立非理想状态下的状态空间方程。
（4）采用状态变量的差商代替微商的方法对状态方程进行离散化。
（5）在MATLAB\simulink中实现模型。
其中步骤（2）开关过程分析包括：开通延时阶段、电流上升阶段、电压下降阶段、栅源极电压上升阶段、关断延迟阶段、电压上升阶段、电流下降阶段和栅源极电压下降阶段。
其中步骤（3）开关通断过程分析包括：碳化硅MOSFET开通过程分析、碳化硅MOSFET关断过程分析以及非线性电容建模。
附图说明
图1为一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET建模方法的流程图；
图2为一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET建模方法的非理想状态下双脉冲测试原理图；
图3为寄生电感电容对 MOSFET 开关波形的影响；
图4为碳化硅MOSFET 开通过程的状态电路分析图；
图5为碳化硅MOSFET 关断过程的状态电路分析图；
图6为Rg=15Ω时，碳化硅MOSFET开通过程实验和模型的对比；
图7为Rg=15Ω时，碳化硅MOSFET 关断过程实验和模型的对比；
图8为Rg=91Ω时，碳化硅MOSFET开通过程实验和模型的对比；
图9为Rg=91Ω时，碳化硅MOSFET 关断过程实验和模型的对比；
具体实施方式
在MATLAB中搭建双脉冲测试电路，利用双脉冲测试电路分别分析在理想状态和非理想状态下碳化硅 MOSFET 的开关过程，对比分析后确定非理想状态下的开关过程更符合实际。通过非理想状态下开关过程分析所获状态方程在MATLAB中实现模型。
具体的,本发明提供了一种双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET建模方法,结合附图的流程图所示,包括以下步骤：
S1:搭建双脉冲测试平台；
S2:理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立理想状态下的状态空间方程。
在忽略寄生电感和寄生电阻这些寄生参数的情况下利用双脉冲测试电路分析理想条件下碳化硅MOSFET的开关过程。分别讨论理想状态下的MOSFET开通关断过程中各个变量之间的关系;通过数学表达式表示MOSFET在开关过程中漏极电流、栅源极电压、漏源极电压、门极驱动输入电压等参数之间的关系；最后根据这些数学表达式得出开关过程中的状态方程。状态方程反映了器件各参数之间的关系。理想状态下不考虑负载电感的能量损耗，不考虑续流二极管的结电容和导通压降，不考虑双脉冲测试回路中的寄生电感及电阻的影响，因而与实际测量值存在较大差距。
S3:非理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立非理想状态下的状态空间方程。
在考虑寄生电感和寄生电阻这些寄生参数的情况下进一步探讨非理想状态下双脉冲测试电路中碳化硅MOSFET的开通和关断过程；通过对非线性电容建模消除非线性电容对系统的影响；通过数学表达式表示MOSFET在开关过程中各个电路参数之间的关系；最后根据这些数学表达式得出开关过程中的状态方程。由于非理想状态考虑了寄生参数的影响，因此非理想状态下得到的状态方程更接近实际测量值，更适合用于开关模型的实现。
S4:采用状态变量的差商代替微商的方法对状态方程进行离散化。
S5：在MATLAB\simulink中实现模型。
在上述步骤中，步骤S3首先分析了寄生电感电容对开关波形的影响，如附图3所示，由于寄生参数的影响，在 MOSFET 开通过程电流上升阶段，实际的漏源极电压Vds小于Vdd；而在MOSFET关断过程中的电流下降阶段，实际的漏源极电压Vds会形成一个欠阻尼振荡过程。另一方面，由于MOSFET的漏源极寄生电容两端的电压变化，使得实验测得的漏极电流与实际通过MOSFET沟道的电流具有较大的差异，如图3所示，在开通过程中漏极电流比沟道电流小，而在关断过程中沟道电流比漏极电流大。
步骤S3中碳化硅MOSFET开通过程四个阶段的状态方程为：
开通延时阶段状态方程为：
漏极电流上升阶段状态方程为：
漏源极电压下降阶段状态方程为：
栅源极电压上升阶段状态方程为：
步骤S3中碳化硅MOSFET关断过程的状态方程为：
通过以上分析得到的非理想状态下开关过程中的状态方程为线性连续状态方程。为了在 MATLAB程序中实现该行为模型，需要将线性连续的空间状态方程离散化。在本模型中采用 近似方法实现状态方程的离散化，得到离散化的状态方程，根据近似离散化状态方程，逐次 迭代求解得到各个状态变量的值，在MATLAB\simulink中输入开通过程和关断过程的程序来 实现该模型。由于该模型具有行为模型简单的优点以及充分考虑寄生参数影响后提高了精确 度，所以所获得的模型具有简单、精确的优点。
为了验证模型的准确性，通过搭建实验平台将仿真结果与实验测得波形进行对比，如附图所示。
本发明优选实例只是用于帮助阐述本发明，优选实施例并没有详尽叙述所有细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。
Claims (7)
1.一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)搭建双脉冲测试平台；
(2)理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立理想状态下的状态空间方程；
(3)非理想状态下碳化硅MOSFET开关过程分析，建立非理想状态下的状态空间方程；
(4)采用状态变量的差商代替微商的方法对状态方程进行离散化；
(5)在MATLAB\simulink中实现模型。
2.根据权利要求1所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于步骤(3)开关过程分析中考虑门极回路和功率回路之间的相互耦合。
3.根据权利要求1所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于步骤(3)开关过程分析中考虑了沟道电流Ich的非线性特性，结合器件技术文档构建了沟道电流Ich随Vgs变化的模型。
4.根据权利要求1所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于步骤(3)与理想状态下的双脉冲测试电路相比，非理想状态测试电路中加入了漏极寄生电感Ld、源极寄生电感Ls、栅极寄生电感Lg和寄生电阻Rd。
5.根据权利要求1所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于步骤(3)考虑了肖特基二极管的结电容Csk。
6.根据权利要求5所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于利用曲线拟合的方法提取非线性电容值。
7.根据权利要求1所述的本发明提出一种基于双脉冲测试平台的碳化硅MOSFET的建模方法，其特征在于步骤(4)采用状态变量的差商代替微商的方法实现状态方程的离散化。以开通延时阶段的Ig为例：
其中，Ts为采样周期，当采样周期Ts较小时，有：
将kTs代替时间变量t，可以得到如下所示的方程：
则利用状态变量的差商代替微商的方法可以得到离散化的状态方程：
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