CN111460748B - SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法，其中，方法包括：获取SiC MOSFET的静态特性、瞬态热阻抗和短路波形；根据瞬态热阻抗建立热模型，并且由热模型和短路波形得到SiC MOSFET短路时的结温特性；根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形；根据SiC MOSFET的静态特性和结温特性建立沟道电流模型；根据SiC MOSFET的结温特性建立漏源极泄漏电流模型；根据沟道电流模型和泄漏电流模型得到SiC MOSFET短路仿真模型。本发明实施例可以得到可适用于正常工况和短路情况下的SiC MOSFET仿真模型，进而更好地应用于电力电子电路仿真，为驱动电路的短路保护电路设计提供了指导，降低电路设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法。
背景技术
目前，由于SiC MOSFET的模具面积小，电流密度大，短路耐受时间短，使得对基于SiC MOSFET的变换器设计提出了挑战。然而，现有的电力电子电路仿真SiC MOSFET模型几乎都是基于正常工作条件，而不能正确反映SiC MOSFET的短路行为。因此，为了预测短路条件对功率转换系统的影响，迫切需要一种可用于短路仿真的SiC MOSFET模型，来降低电路设计成本，为故障保护和驱动电路的设计提供指导。
相关技术中，通过短路实验和数值分析，SiC MOSFET的短路性能和失效机制已被研究和分析，并建立了一些物理模型来描述SiC MOSFET在短路条件下的特性。虽然物理模型非常准确，并且能够反映SiC MOSFET的物理运行机制，但由于模型参数多、难以获得，且仿真耗时长，不适用于电力电子电路仿真，亟待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法，该方法可以得到可适用于正常工况和短路情况下的SiC MOSFET仿真模型，进而更好地应用于电力电子电路仿真，为驱动电路的短路保护电路设计提供了指导，降低电路设计成本。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法，包括以下步骤：获取SiC MOSFET的静态特性、瞬态热阻抗和短路波形；根据所述瞬态热阻抗建立热模型，并且由所述热模型和短路波形得到所述SiC MOSFET短路时的结温特性；根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形；根据所述SiC MOSFET的静态特性和结温特性建立沟道电流模型Ich；根据所述SiC MOSFET的结温特性建立漏源极泄漏电流模型Ilk；根据所述沟道电流模型和所述泄漏电流模型得到SiCMOSFET短路仿真模型。
另外，根据本发明上述实施例的SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述沟道电流模型Ich的方程为：
其中，
p1-p3、q1-q3为静态特性参数，f(Tj)是与所述结温特性相关的函数。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述漏源极泄漏电流模型Ilk的方程为：
其中，k1、k2和k3是与所述结温特性相关的待拟合参数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：提取模型参数。
其中，在本发明的一个实施例中，所述提取模型参数，包括：采用数据提取软件将SiC MOSFET数据手册中的瞬态热阻抗曲线、输出特性曲线和转移特性曲线转换为数据；获取短路持续时间逐渐增加时的栅源电压、漏源电压、漏源电流波形的数据；根据瞬态热阻抗方程和所述瞬态热阻抗曲线数据在曲线拟合软件中进行拟合得到热模型参数；根据所述热模型和短路波形得到对应的结温波形；根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形；根据所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程和相应的数据进行拟合，得到拟合结果；根据所述拟合结果对所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程进行调整，以得到所述模型参数。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的SiC MOSFET热模型示意图；
图3是根据本发明一个实施例的SiC MOSFET电模型示意图；
图4是根据本发明一个实施例的短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形图；
图5是根据本发明一个实施例的泄漏电流和沟道电流波形图；
图6是根据本发明一个实施例的仿真和数据手册提供的瞬态热阻抗曲线的对比示意图；
图7是根据本发明一个实施例的仿真和数据手册提供的输出特性曲线的对比示意图；
图8是根据本发明一个实施例的仿真和数据手册提供的转移特性曲线的对比示意图；
图9是根据本发明一个实施例的双脉冲测试电路示意图；
图10是根据本发明一个实施例的SiC MOSFET双脉冲实验波形示意图；
图11是根据本发明一个实施例的SiC MOSFET双脉冲仿真波形示意图；
图12为根据本发明一个实施例的双脉冲仿真和实验的第一次关断瞬间的电压电流波形对比示意图；
图13为根据本发明一个实施例的双脉冲仿真和实验的第二次开通瞬间的电压电流波形对比示意图；
图14是根据本发明一个实施例的母线电压为400V的短路电流波形的仿真与实验结果的对比示意图。
图15是根据本发明一个实施例的母线电压为600V的短路电流波形的仿真与实验结果的对比示意图。
图16为根据本发明一个实施例的母线电压为800V的不同短路时间下的短路电流波形的仿真与实验结果的对比示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法。
图1是本发明实施例的SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法的流程图。
如图1所示，该SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取SiC MOSFET的静态特性、瞬态热阻抗和短路波形。
在步骤S102中，根据瞬态热阻抗建立热模型，并且由热模型和短路波形得到SiCMOSFET短路时的结温特性。
在步骤S103中，根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形。
在步骤S104中，根据SiC MOSFET的静态特性和结温特性建立沟道电流模型Ich。
可选地，在本发明的一个实施例中，沟道电流模型Ich的方程为：
其中，
p1-p3、q1-q3为静态特性参数，f(Tj)是与结温特性相关的函数。
在步骤S105中，根据SiC MOSFET的结温特性建立漏源极泄漏电流模型Ilk。
可选地，在本发明的一个实施例中，漏源极泄漏电流模型Ilk的方程为：
其中，k1、k2和k3是与结温特性相关的待拟合参数。
在步骤S106中，根据沟道电流模型和泄漏电流模型得到SiC MOSFET短路仿真模型。
举例而言，以英飞凌公司型号为IMW120R030M1H的SiC MOSFET作为具体的示例，SiC MOSFET热模型如图2所示，SiC MOSFET电模型如图3所示，主要包括电压控制电流源Ich、电压控制电流源Ilk、栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、栅极电阻Rg和体二极管Db。其中电压控制电流源Ich用来描述SiC MOSFET的沟道电流，电压控制电流源Ilk用来描述SiC MOSFET短路时产生的泄露电流，Cgd、Cgs为SiC MOSFET的内部寄生电容，Db用来表示体二极管。
具体地，热模型反映了SiC MOSFET的结温，电压控制电流源Ich描述了SiC MOSFET的静态I-V特性和结温特性，目前比较常用的仿真模型只能满足正常工作状况下的仿真要求，但不能正确反映SiC MOSFET在短路条件下的导通电流，这对短路保护电路的设计具有重要意义。针对SiC MOSFET在正常工作状况以及短路工作状况下的仿真要求，本发明的实施例除了沟道电流模型Ich外，新增了短路时作用的漏源极泄漏电流模型Ilk。
在本发明的一个实施例中，热模型由RC网络组成，如图2所示。其中，Tj、Tc、Ploss和Zth分别为结温、壳温、功率损耗和瞬态热阻抗，功率损耗(Ploss＝VdsIds)由电压控制电流源Ploss计算得到，瞬态热阻抗的方程为
根据SiC MOSFET的工作原理，电压控制电流源Ich以栅源电压Vgs、漏源电压Vds和结温Tj为变量的方程组成。
具体地，沟道电流模型Ich方程为：
其中，
p1-p3、q1-q3是静态特性参数，s1-s5是与结温特性有关的待拟合参数。
其次，当电路短路持续一定时间时，SiC MOSFET会由于较高的内部结温而发生热电离产生泄露电流，漏源极的泄漏电流模型Ilk方程如下所示：
其中，k1、k2和k3是与结温特性有关的待拟合参数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：提取模型参数。
其中，在本发明的一个实施例中，提取模型参数，包括：采用数据提取软件将SiCMOSFET数据手册中的瞬态热阻抗曲线、输出特性曲线和转移特性曲线转换为数据；获取短路持续时间逐渐增加时的栅源电压、漏源电压、漏源电流波形的数据；根据瞬态热阻抗方程和所述瞬态热阻抗曲线数据在曲线拟合软件中进行拟合得到热模型参数；根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形如图4所示，得到泄漏电流波形和沟道电流波形如图5所示；根据所述热模型和短路波形得到对应的结温波形；根据所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程和相应的数据进行拟合，得到拟合结果；根据所述拟合结果对所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程进行调整，以得到所述模型参数。
需要说明的是，数据提取软件和曲线拟合软件可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择，在此不作具体限制。
在本发明的一个实施例中，为验证本发明实施例得到的SiC MOSFET短路仿真模型的热模型和静态特性，将仿真和数据手册提供的瞬态热阻抗、输出特性和转移特性曲线进行对比图，分别如图6、图7、图8所示，可以看出仿真结果与数据手册提供的曲线吻合良好。
在本发明的一个实施例中，为验证本发明实施例得到的SiC MOSFET短路仿真模型在正常工况下的有效性，将SiC MOSFET的双脉冲实验和仿真结果进行对比。
双脉冲测试电路如图9所示，Lload为负载电感，Ls1-Ls4为电路寄生电感。SiC MOSFET的双脉冲实验和仿真结果分别如图10、图11所示，为了观察SiC MOSFET的动态特性，将第一次关断瞬间和第二次开通瞬间的仿真和实验的电压电流波形进行对比，分别如图12、图13所示，可以看出仿真与实验结果吻合较好。
本发明实施例得到的SiC MOSFET短路仿真模型在短路情况下的有效性，将图9所示的双脉冲测试电路的上管Q1的漏极和源极短接，给下管Q2单脉冲驱动信号进行短路测试，仿真与实验电路参数一致。
母线电压为Vdc＝400V、600V下，Vgs＝15V、16V、18V时的短路实验电流波形和仿真波形的对比分别如图14、图15所示，Vdc＝800V，Vgs＝16V时的不同短路持续时间的短路电流波形的仿真与实验结果的对比如图16所示，可以得出，在相同的测试电路条件下，仿真短路电流波形与实验测试结果基本吻合。因此本发明实施例得到的SiC MOSFET短路仿真模型能准确描述SiC MOSFET的短路特性，这使得所提出的SiC MOSFET模型可以用于实际的电力电子电路仿真。
根据本发明实施例的SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法，使用结温特性方程描述SiC MOSFET的沟道电流和短路情况下漏源极之间产生的泄露电流，能够得到可适用于正常工作状况和短路情况下的SiC MOSFET仿真模型，进而更好地应用于电力电子电路仿真，为驱动电路的短路保护电路设计提供了指导，降低电路设计成本。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种SiC MOSFET短路仿真模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取SiC MOSFET的静态特性、瞬态热阻抗和短路波形；
根据所述瞬态热阻抗建立热模型，并且由所述热模型和短路波形得到所述SiC MOSFET短路时的结温特性；
根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形；
根据所述SiC MOSFET的静态特性和结温特性建立沟道电流模型Ich，所述沟道电流模型Ich的方程为：
其中，
p1-p3、q1-q3为静态特性参数，f(Tj)是与所述结温特性相关的函数，Tj为结温，s1-s5是与结温特性有关的待拟合参数，Vgs为栅源电压，Vds为漏源电压；
根据所述SiC MOSFET的结温特性建立漏源极泄漏电流模型Ilk；以及
根据所述沟道电流模型和所述泄漏电流模型得到SiC MOSFET短路仿真模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述漏源极泄漏电流模型Ilk的方程为：
其中，k1、k2和k3是与所述结温特性相关的待拟合参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
提取模型参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述提取模型参数，包括：
采用数据提取软件将SiC MOSFET数据手册中的瞬态热阻抗曲线、输出特性曲线和转移特性曲线转换为数据；
获取短路持续时间逐渐增加时的栅源电压、漏源电压、漏源电流波形的数据；
根据瞬态热阻抗方程和所述瞬态热阻抗曲线数据在曲线拟合软件中进行拟合得到热模型参数；
根据所述热模型和短路波形得到对应的结温波形；
根据短路持续时间逐渐增加时的漏源电流波形得到泄漏电流波形和沟道电流波形；
根据所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程和相应的数据进行拟合，得到拟合结果；
根据所述拟合结果对所述沟道电流模型方程和所述泄漏电流模型方程进行调整，以得到所述模型参数。
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