CN114564906A - 一种SiC MOSFET仿真建模方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiC MOSFET仿真建模方法及系统，方法包括：采用等效电路建模方法构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；根据测试数据中的转移特性和输出特性，对压控电流源参数进行拟合提取；根据测试数据中电容‑漏源电压特性，对电容参数进行拟合提取；根据测试数据中体二极管特性，对体二极管参数进行拟合提取；对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止，从而针对SiC MOSFET特性构建较为准确的仿真模型，来描述器件物理特性，指导高压SiC MOSFET在工程中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种SiC MOSFET仿真建模方法及系统。
背景技术
SiC MOSFET可以大幅提升变流器的效率和功率密度，在高频、高温、高压等领域有较好的应用前景，但SiC的可靠应用面临着高频开关瞬态电压、电流过充和振铃以及短路保护等难题。
通过SiC MOSFET结构特性建立SiC MOSFET模型是工程应用中系统分析和效率评估的重要基础，能够真实反映SiC MOSFET物理过程和特性的仿真模型能够减少分析和设计的难度。因此，在Si MOSFET器件的基础上，需要针对高压SiC MOSFET器件的特性优势构建较为准确的模型。在器件可靠性方面，SiC MOSFET目前存在两个技术难点：低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。器件的温度可靠性的直接表现就是功率器件在高温下电气特性参数的漂移，包括静态参数和动态参数。虽然有些器件公司提供了相应的Spice模型，但精确度不足，无法真实反映物理过程和特性。因此，需要构建包含温度特性的高压SiCMOSFET仿真模型。
目前，建立SiC MOSFET的仿真模型主要有两种方式，一种是直接通过Pspice仿真软件自带MOSFET模型工具来描述SiC MOSFET特性，这种方法的内建函数主要是针对SiMOSFET模型，构建的模型不能完全拟合SiC MOSFET特性，模型误差较大。另一种方法是通过压控电流源模型来拟合SiC MOSFET特性，这种方式通过等效电路构建SiC MOSFET仿真模型，通过数学函数描述压控电流源特性。压控电流源模型摆脱了功率半导体器件的物理层面，采用数学拟合方式获取模型参数，模型参数没有直接的物理意义，模型较为简单，仿真时间少，收敛性好。
高压SiC MOSFET由于功率等级更高，损耗也更高，器件的温度也较高，其静态和动态电气特性参数会发生漂移，因此，需要针对高压SiC MOSFET的特性来构建较为准确的仿真模型，来描述器件物理特性，指导高压SiC MOSFET在工程中的应用。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的对高压SiC MOSFET构建的模型不准确的缺陷，从而提供一种SiC MOSFET仿真建模方法及系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种SiC MOSFET仿真建模方法，包括：采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对动静态模型中电容参数进行拟合提取；根据器件测试数据中的体二极管特性，对动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止。
在一实施例中，仿真模型建立的转移特性模型为：
IDS_transfer＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，k、a、m及n为转移特性参数。
在一实施例中，仿真模型建立的输出特性模型为：
IDS_output＝VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b
式中，IDS_output为漏源输出电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，e、r、b及t为输出特性参数。
在一实施例中，仿真模型中的压控电流源描述为：
IDS＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n·VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，k、a、m及n为转移特性参数，e、r、b及t为输出特性参数。
在一实施例中，测试数据为不同温度条件下的测试数据。
在一实施例中，仿真模型中，栅极电容设置为常值电容，栅漏电容采用函数拟合方式进行描述：
式中，C0为电容常数，VGD为栅漏极电压，s1～s7为电容模型参数。
在一实施例中，仿真模型中，体二极管通过单独的二极管描述为：
式中，ID为二极管两端电流，VD为二极管两端电压，IS为饱和电流，q为电子电荷，RS为寄生电阻，N为注入系数，k为波尔茨曼常数，T为器件温度。
第二方面，本发明实施例提供一种SiC MOSFET仿真建模系统，包括：等效电路模块，用于采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；压控电流源模块，用于根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；电容模块，用于根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对动静态模型中电容参数进行拟合提取；体二极管模块，用于根据器件测试数据中的体二极管特性，对动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；优化模块，用于对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的SiC MOSFET仿真建模方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的SiC MOSFET仿真建模方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的仿真建模方法，采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对动静态模型中电容参数进行拟合提取；根据器件测试数据中的体二极管特性，对动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止，从而针对SiC MOSFET的特性来构建较为准确的仿真模型，来描述器件物理特性，指导高压SiC MOSFET在工程中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的仿真建模方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例提供的高压SiC MOSFET仿真模型；
图3为本发明实施例提供的动静态模型原理图；
图4为本发明实施例提供的结电容特性曲线；
图5～图11分别为本发明实施例提供的CAS6500V400A的25℃输出特性曲线对比图、25℃转移特性曲线对比图、150℃输出特性曲线对比图、150℃转移特性曲线对比图、栅漏电容对比图、150℃栅极电压对比图、150℃漏源电流对比图。
图12为本发明实施例提供的仿真建模系统的一个具体示例的组成图；
图13为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种SiC MOSFET仿真建模方法，如图1所示，包括：
步骤S1：采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图。
具体地，如图2所示，本发明实施例的高压SiC MOSFET仿真模型为4端口模型器件，其中1、2、3端口为电气端口，分别对应漏极、栅极、源极，端口4为温度端口。采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图，原理图如图3所示。图3中，CGD为栅漏电容，CGS为栅源电容，IDS为压控电流源，Db为体二极管，Rg为栅极电阻。
步骤S2：根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取。
具体地，由于双曲正切函数(y＝tanh(x))与转移特性曲线的走势接近，同时双曲正切函数也是连续可导的，有利于模型的仿真收敛性，因此本发明实施例的仿真模型建立的转移特性模型为：
IDS_transfer＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n (1)
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，k、a、m及n为转移特性参数。
仿真模型建立的输出特性模型为：
IDS_output＝VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b (2)
式中，IDS_output为漏源输出电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，e、r、b及t为输出特性参数。
具体地，本发明实施例仿真模型中的压控电流源描述为：
IDS＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n·VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b (3)
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，k、a、m及n为转移特性参数，e、r、b及t为输出特性参数。
步骤S3：根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对动静态模型中电容参数进行拟合提取。
具体地，本发明实施例的高压SiC MOSFET的结电容(栅漏电容CGD、栅源电容CGS、漏源电容CDS)的特性曲线如图4所示，栅源电容CGS随漏源极电压变化较小，栅源电容CGS设置为常值，则仿真模型中，栅极电容设置为常值电容，栅漏电容采用函数拟合方式进行描述：
式中，C0为电容常数，VGD为栅漏极电压，s1～s7为电容模型参数。
步骤S4：根据器件测试数据中的体二极管特性，对动静态模型中体二极管参数进行拟合提取。
仿真模型中，体二极管通过单独的二极管描述为：
式中，ID为二极管两端电流，VD为二极管两端电压，IS为饱和电流，q为电子电荷，RS为寄生电阻，N为注入系数，k为波尔茨曼常数，T为器件温度。
步骤S5：对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止。
需要说明的是，本发明实施例的测试数据不仅包括器件Datasheet数据，还包括器件进行不同温度条件下测试后得到的数据，即测试数据为不同温度条件下的测试数据，利用该测试数据对压控电流源参数、电容参数、体二极管参数进行拟合提取。
为了验证本发明实施例提出的仿真建模方法的正确性及准确性，以CAS6500V400A为例，该器件为6.5kV 400A SiC MOSFET半桥模块，利用多温度测试数据对式(3)进行函数拟合，得到如表1～3所示的参数。图5～图11分别为CAS6500V400A的25℃输出特性曲线对比图、25℃转移特性曲线对比图、150℃输出特性曲线对比图、150℃转移特性曲线对比图、栅漏电容对比图、150℃栅极电压对比图、150℃漏源电流对比图。由图5～图8可以看出，两种温度下的(25℃、150℃)输出特性及转移特性曲线的仿真结果符合实验结果的温度变化趋势，由图9可以看出模型拟合度较高，由图10、图11可以看出本发明实施例所建立的仿真模型可以准确的描述高压SiC MOSFET开通和关断特性。
表1
| a | 0.45914 |
| b | -1.93542 |
| e | 0.330955 |
| t | -2.60371 |
| r | 0.1475 |
| m | -5.9009 |
| n | 0.1214 |
| k | 119.6972 |
表2
| s<sub>1</sub> | 2106.00968973685 |
| s<sub>2</sub> | -3275.14760524497 |
| s<sub>3</sub> | 392.772920053627 |
| s<sub>4</sub> | 6.3958533499986 |
| s<sub>5</sub> | -14.8322849797123 |
| s<sub>6</sub> | 15.7579627409393 |
| s<sub>7</sub> | -2113.13441518815 |
表3
实施例2
本发明实施例提供一种SiC MOSFET仿真建模系统，如图12所示，包括：
等效电路模块1，用于采用等效电路建模方法，构建SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。
压控电流源模块2，用于根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。
电容模块3，用于根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对动静态模型中电容参数进行拟合提取；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。
体二极管模块4，用于根据器件测试数据中的体二极管特性，对动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。
优化模块5，用于对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止；此模块执行实施例1中的步骤S5所描述的方法，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例提供一种计算机设备，如图13所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的SiC MOSFET仿真建模方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的SiC MOSFET仿真建模方法。
其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图13中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的SiC MOSFET仿真建模方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的SiC MOSFET仿真建模方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，包括：
采用等效电路建模方法，构建所述SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；
根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对所述动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；
根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对所述动静态模型中电容参数进行拟合提取；
根据器件测试数据中的体二极管特性，对所述动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；
对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回所述“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对所述动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止。
2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，仿真模型建立的转移特性模型为：
IDS_transfer＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，k、a、m及n为转移特性参数。
3.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，仿真模型建立的输出特性模型为：
IDS_output＝VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b
式中，IDS_output为漏源输出电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，e、r、b及t为输出特性参数。
4.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，仿真模型中的压控电流源描述为：
IDS＝k·[1+tanh(a·VGS+m)]n·VDS·[1+(e·VGS+r)t·VDS]b
式中，IDS_transfer为漏源转移电流，VGS为栅源电压，VDS为漏源电压，k、a、m及n为转移特性参数，e、r、b及t为输出特性参数。
5.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，所述测试数据为不同温度条件下的测试数据。
6.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，
仿真模型中，栅极电容设置为常值电容，栅漏电容采用函数拟合方式进行描述：
式中，C0为电容常数，VGD为栅漏极电压，s1～s7为电容模型参数。
7.根据权利要求1所述的SiC MOSFET仿真建模方法，其特征在于，仿真模型中，体二极管通过单独的二极管描述为：
式中，ID为二极管两端电流，VD为二极管两端电压，IS为饱和电流，q为电子电荷，RS为寄生电阻，N为注入系数，k为波尔茨曼常数，T为器件温度。
8.一种SiC MOSFET仿真建模系统，其特征在于，包括：
等效电路模块，用于采用等效电路建模方法，构建所述SiC MOSFET器件的动静态模型原理图；
压控电流源模块，用于根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对所述动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取；
电容模块，用于根据器件测试数据中的电容-漏源电压特性，对所述动静态模型中电容参数进行拟合提取；
体二极管模块，用于根据器件测试数据中的体二极管特性，对所述动静态模型中体二极管参数进行拟合提取；
优化模块，用于对进行参数拟合提取后的动静态模型进行仿真测试，并根据仿真测试结果，判断当前模型拟合度是否符合要求，若不符合要求，则返回所述“根据器件测试数据中的转移特性和输出特性，对所述动静态模型中压控电流源参数进行拟合提取”的步骤，直至仿真测试结果符合要求为止。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一所述的SiC MOSFET仿真建模方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一所述的SiC MOSFET仿真建模方法。
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2022
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