CN116822449A - SiC MOSFET模块仿真模型建模方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及SiC MOSFET模块仿真建模技术领域，具体为SiC MOSFET模块仿真模型建模方法及其应用。其目的在于提供一种基于电磁兼容的SiC MOSFET模块仿真模型建模方法，包括如下步骤：提取SiC MOSFET数据手册中的静态参数特性；六种工况下进行模块的双脉冲实验并提取动态参数；将整个SiC MOSFET模块采用Ansys Q3D软件进行处理并生成等效的电路模型，然后提取其寄生参数，将提取寄生参数后的电路模型链接到时域仿真器中。该仿真模型可以更好地应用于电力电子系统电路仿真，例如：可用于大功率SiC MOSFET功率模块驱动参数适配指导，也可用于大功率变流装置进行电磁兼容等分析等。
Description
技术领域
本发明涉及SiC MOSFET模块仿真建模技术领域，具体为SiC MOSFET模块仿真模型建模方法及其应用。
背景技术
随着电力电子技术在大功率变流技术、轨道交通领域的不断扩展，对变流器的效率和功率密度提出了更高的要求，相较于硅基材料IGBT、MOSFET器件材料的特性局限性，大功率SiC MOSFET在高频、高温、高压等领域有较好的应用前景。大功率SiC MOSFET作为轨道交通车载变流器的重要组成部分，由于其具有更快的开关速度以及更高的开关频率，故其稳定性、温度可靠性及电磁兼容等设计至关重要。
变流器中的大功率SiC MOSFET器件由于其是以较高的频率进行高电压、大电流的开关转换，故会形成很高的电压和电流的瞬态变化且分别通过各种寄生电容和电感产生干扰电压和干扰电流，进而产生电磁干扰。SiC MOSFET模块作为大功率变流装置的核心部件，其器件暂态特性成为电力电子电磁干扰仿真研究的重点。通常SiC MOSFET模块仿真模型分为两类：物理模型和器件级行为模型。现有技术对SiC MOSFET模块的仿真模型的建立主要是物理模型，但物理模型需要对器件的物理结构、材料属性和运行机理深入分析，并且模型是在复杂的数学函数的基础上建立的，模型求解难度大，仿真时间长，不适用于电力电子电路系统仿真。器件级行为模型不关注器件内部的物理机理，更多关注器件的外特性，即采用合适的数学方程、子电路等建立器件外特性的等效电路，其仿真时间短，易收敛，但现有的器件级行为模型通常只针对基于某种正常工作条件下的器件进行建模，模型的适用性一般。而SiC MOSFET模块由于功率等级更高，损耗也更高，器件的温升也较高，其静态和动态电气特性参数会发生漂移，因此，迫切需要建立适用性较广的器件级行为模型，可用于电磁兼容仿真的SiC MOSFET模块仿真模型，能应用于大功率变流装置的电磁兼容仿真分析，从而降低新器件应用带来的研发成本大，为高压大功率SiC MOSFET的广泛应用提供指导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电磁兼容的SiC MOSFET模块仿真模型建模方法及其应用。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种SiC MOSFET模块仿真模型建模方法，包括如下步骤：
1）提取SiC MOSFET器件数据手册中的静态参数特性，包括输入电容Cin、反馈电容Cr、内部门极电阻Rg、内部引线电阻Rtot、引线杂散电感Ltot；
2）根据SiC MOSFET器件数据手册并通过Ansys软件中的Basic Dynamic MOSFETModel模型拟合并提取常温、高温两种工况下SiC MOSFET转移特性曲线Id＝f(Vgs)、输出特性曲线Id＝f(Vds)以及二极管正向特性曲线Id＝f(Vd)，同时根据数据手册中SiC MOSFET和Freewheeling Diode的瞬态热阻抗方程和瞬态热阻抗曲线数据在Ansys软件中的BasicDynamic MOSFET Model模型中进行拟合得到热模型参数并将该热模型参数作为SiCMOSFET模块仿真模型的静态参数；
3）根据SiC MOSFET器件正常工作状况下的电气参数，确定SiC MOSFET模块仿真建模过程中的额定参数，进而确定SiC MOSFET模块的以下六种工况：常温额定电压电流工况、高温额定电压电流工况、常温额定电流低电压工况、常温额定电流高电压工况、常温额定电压高电流工况、常温额定电压低电流工况；
4）分别在上述六种工况下进行SiC MOSFET模块的双脉冲实验，测量采集SiCMOSFET模块的漏极电流ID、SiC MOSFET模块漏源极两端电压VDS以及MOSFET模块的栅极驱动电压VGS并将其作为SiC MOSFET模型的动态参数输入部分；
5）根据双脉冲实验结果波形图计算六种工况下模块的开通时间ton、关断时间toff、开通能量Eon、关断能量Eoff、反向恢复电荷Qrr和反向恢复电流峰值Irr并将其作为SiC MOSFET模型的动态参数输入部分（如何根据双脉冲实验结果波形图进行计算上述参数属于本领域技术人员的常规计算手段），最后采用Ansys/ characterize建立SiC MOSFET器件级行为模型；
6）将SiC MOSFET模块采用Ansys/ Q3D软件进行处理并生成等效的电路模型，即集中参数的RLGC元件的串/并联来等效互连系统，然后提取整个电路模型中的寄生参数，将提取寄生参数后的电路模型链接到时域仿真器中，并以场路联合仿真的方式应用到simplorer中，从而完成SiC MOSFET模块的仿真建模；
7）通过SiC MOSFET模块的双脉冲仿真测试与SiC MOSFET模块实际工况的测试模型得到的波形进行对比验证仿真模型的正确性。
在变流器产品的方案设计阶段，利用Q3D软件进行寄生参数的提取，对比不同结构布局引入的寄生参数，提前分析其对主电路的影响，判断结构布局设计的优劣，为产品的方案设计阶段提供理论支撑。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化母排层叠结构以及连接方式。具体应用过程如下：采用基于Q3D和simplorer联合仿真，测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds，计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合，确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变主母排叠层结构、布局直到回路杂散电感符合最终电感期望值。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化高频逆变器低杂散电感回路。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化驱动栅极开关电阻、栅极电容。具体应用过程如下：若在变流器产品正向设计初期，尤其是大功率SiC MOSFET模块应用经验很少的情况下，驱动板电阻值不确定，可以通过该仿真模型，寻找最优外部驱动栅极开关电阻、栅极电容设置值。同时该方法为大功率SiC MOSFET模块应用提供一种适配方法，避免高压产品设计初期反复实验带来资源和成本浪费。
采用上述的建模方法形成的仿真模型的应用，可用于牵引变流器共模传导电磁干扰分析。具体应用过程如下：大功率SiC MOSFET器件的源极、漏极与散热器之间会形成很大的寄生电容（桥臂中点对散热器），共模电压du/dt持续对该寄生电容进行充放电过程，引起共模电流，流经寄生电容，并经过散热器到参考地，再返回到桥臂中点，形成了共模电流的耦合路径。高频共模电流流经主电路和地时又能够形成“天线电流”从而产生辐射干扰。该仿真模型进行系统共模传导电路分析，完善变流器产品的电磁兼容设计。
本发明所产生的有益效果如下：1）通过本发明的建模方法建立模型，是针对高压SiC MOSFET模块的特性来构建的较为准确的仿真模型，是适用于高结温、宽范围输入适用性广的器件级行为模型，通过对不同结温下、多种工况下输入电压电流等参数拟合对SiCMOSFET模块和反并联二极管的外特性进行全局建模；2）该模型可以准确描述 SiC MOSFET模块开通、关断暂态过程及电流电压变化的动态特性，同时还考虑了反并联二极管的动静态特性；3）该仿真模型可以更好地应用于电力电子系统电路仿真，也可用于大功率变流装置进行电磁兼容等分析，还适用于装配大功率SiC MOSFET模块的驱动适配工作。因此，本发明的建模方法对大功率SiC MOSFET新器件应用、系统仿真、电磁兼容设计有重要指导意义。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，表示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的SiC MOSFET模块仿真模型建模方法的流程示意图；
图2为实际应用SiC MOSFET模块的双脉冲测试原理示意图；
图3为SiC MOSFET模块双脉冲仿真原理图；
图4为Q3D场路联合仿真等效电路图；
图5为双脉冲测试寄生参数分布的等效电路示意图；
图6为额定电压电流900V200A工况下150℃试验与仿真波形对比示意图。
图7为额定电压电流900V200A工况下25℃试验与仿真波形对比示意图。
图8为额定电压电流900V100A工况下25℃试验与仿真波形对比示意图。
图9为额定电压电流1200V200A工况下25℃试验与仿真波形对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，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。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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例中采用CREE制造的型号为CAS300M17BM2的SiC MOSFET模块并将其用于轨道交通辅助变流装置中。
如图1所示，一种SiC MOSFET模块仿真模型建模方法，包括如下步骤：
1）提取SiC MOSFET器件数据手册中的静态参数特性，包括输入电容Cin、反馈电容Cr、内部门极电阻Rg、内部引线电阻Rtot、引线杂散电感Ltot；
2）根据SiC MOSFET器件数据手册并通过Ansys软件中的Basic Dynamic MOSFETModel模型拟合并提取常温25℃、高温150℃两种工况下SiC MOSFET转移特性曲线Id＝f(Vgs)、输出特性曲线Id＝f(Vds)以及二极管正向特性曲线Id＝f(Vd)，同时根据数据手册中SiC MOSFET和Freewheeling Diode的瞬态热阻抗方程和瞬态热阻抗曲线数据在Ansys软件中的Basic Dynamic MOSFET Model模型中进行拟合得到热模型参数并将该热模型参数作为SiC MOSFET模块仿真模型的静态参数；
3）根据轨道交通辅助变流装置中的直流母线电压为750V，最高输入电压900V，额定输出电流70A，该相通过的峰值电流为150A。从而确定额定电压为900V，额定电流为200A。根据结温不同、额定电压提升或降低约30%、电流提升或降低约50%的特性，进而确定SiCMOSFET模块以下六种工况：常温额定电压电流工况25℃/900V/200A、高温额定电压电流工况150℃/900V/200A、常温额定电流低电压工况25℃/600V/200A、常温额定电流高电压工况25℃/1200V/200A、常温额定电压高电流工况25℃/900V/100A、常温额定电压低电流工况25℃/900V/300A；
4）具体实施时，如图2所示，SiC MOSFET模块对应的双脉冲实验电路包括可调直流稳压电源、复合母排、SiC MOSFET功率模块、电感负载、驱动电路、双脉冲发生器，试验时，将可调直流稳压电源调节至选定测试工况对应的试验电压值，对直流侧支撑电容充电，通过调整双脉冲的脉冲宽度，负载电感值测试相对应六种工况对应的试验电流值，其中高温实验波形需将功率模块放置在高低温箱中进行测试，然后分别采集六种工况下对应的双脉冲测试过程中流经SiC MOSFET模块的漏极电流Id、SiC MOSFET模块两端的漏源电压VDs、SiCMOSFET模块的栅极驱动电压VGs；
5）根据双脉冲实验结果波形图分别计算六种工况下模块的开通时间ton、关断时间toff、开通能量Eon、关断能量Eoff、反向恢复电荷Qrr和反向恢复电流峰值Irr并将其作为SiC MOSFET模型的动态参数输入部分（如何根据双脉冲实验结果波形图进行计算上述参数属于本领域技术人员的常规计算手段），最后采用Ansys/ characterize建立SiC MOSFET器件级行为模型；
6）将SiC MOSFET模块采用Ansys /Q3D软件进行处理并生成等效的电路模型如图4所示，即集中参数的RLGC元件的串/并联来等效互连系统，然后提取整个电路模型中的寄生参数，将提取寄生参数后的电路模型（如图6所示）链接到simplorer中，仿真时以场路联合仿真的方式应用到simplorer中，如图3所示，从而完成SiC MOSFET模块的仿真模型的建模；
7）通过对SiC MOSFET模块的仿真模型的双脉冲仿真测试与实际工况的测试得到的波形进行对比验证仿真模型的正确性，如图6、7、8、9、所示，二者波形图保持基本一致，即证明SiC MOSFET模块的仿真模型的建模成功。
在变流器产品的方案设计阶段，利用Q3D软件进行寄生参数的提取，对比不同结构布局引入的寄生参数，提前分析其对主电路的影响，判断结构布局设计的优劣，为产品的方案设计阶段提供理论支撑。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化母排层叠结构以及连接方式。具体应用过程如下：采用基于Q3D和simplorer联合仿真，测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds，计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合，确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变主母排叠层结构、布局直到回路杂散电感符合最终电感期望值。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化高频逆变器低杂散电感回路。
采用上述建模方法形成的仿真模型的应用，其模型用于优化驱动栅极开关电阻、栅极电容。具体应用过程如下：若在变流器产品正向设计初期，尤其是大功率SiC MOSFET模块应用经验很少的情况下，驱动板电阻值不确定，可以通过该仿真模型，寻找最优外部驱动栅极开关电阻、栅极电容设置值。同时该方法为大功率SiC MOSFET模块应用提供一种适配方法，避免高压产品设计初期反复实验带来资源和成本浪费。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (4)
1.SiC MOSFET模块仿真模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提取SiC MOSFET器件数据手册中的静态参数特性，包括输入电容Cin、反馈电容Cr、内部门极电阻Rg、内部引线电阻Rtot、引线杂散电感Ltot；
2）根据SiC MOSFET器件数据手册并通过Ansys软件中的Basic Dynamic MOSFET Model模型拟合并提取常温、高温两种工况下SiC MOSFET转移特性曲线Id＝f(Vgs)、输出特性曲线Id＝f(Vds)以及二极管正向特性曲线Id＝f(Vd)，同时根据数据手册中SiC MOSFET和Freewheeling Diode的瞬态热阻抗方程和瞬态热阻抗曲线数据在Ansys软件中的BasicDynamic MOSFET Model模型中进行拟合得到热模型参数并将该热模型参数作为SiCMOSFET模块仿真模型的静态参数；
3）根据SiC MOSFET器件正常工作状况下的电气参数，确定SiC MOSFET模块建模过程中的额定参数，进而确定SiC MOSFET模块以下六种工况：常温额定电压电流工况、高温额定电压电流工况、常温额定电流低电压工况、常温额定电流高电压工况、常温额定电压高电流工况、常温额定电压低电流工况；
4）分别在上述六种工况下进行SiC MOSFET模块的双脉冲实验，测量采集SiC MOSFET模块的漏极电流ID、SiC MOSFET模块漏源极两端电压VDS以及MOSFET模块的栅极驱动电压VGS并将其作为SiC MOSFET模型的动态参数输入部分；
5）根据双脉冲实验结果波形图计算六种工况下SiC MOSFET模块的开通时间ton、关断时间toff、开通能量Eon、关断能量Eoff、反向恢复电荷Qrr和反向恢复电流峰值Irr并将其作为SiC MOSFET模块仿真模型的动态参数输入部分，最后采用Ansys/ characterize建立SiC MOSFET器件级行为模型；
6）将SiC MOSFET模块采用Ansys Q3D软件进行处理并生成等效的电路模型，即集中参数的RLGC元件的串/并联来等效互连系统，然后提取整个电路中的寄生参数，将提取寄生参数后的电路模型链接到时域仿真器中，并以场路联合仿真的方式应用到simplorer中，从而完成SiC MOSFET模块的建模；
7）通过SiC MOSFET模块仿真模型的双脉冲仿真测试与实际工况的测试模型得到的波形进行对比验证模型的正确性。
2.采用如权利要求1所述的建模方法形成的SiC MOSFET模块仿真模型的应用，其特征在于，将其仿真模型用于优化母排层叠结构以及连接方式，其具体应用过程如下：采用基于Q3D和simplorer联合仿真，测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds，计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合，确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变母排叠层结构以及连接方式直到回路杂散电感符合最终电感期望值。
3.采用如权利要求1所述的建模方法形成的SiC MOSFET模块仿真模型的应用，其特征在于，将其仿真模型用于大功率SiC MOSFET模块应用中，用去优化SiC驱动栅极开关电阻、栅极电容等驱动保护参数。
4.采用如权利要求1所述的建模方法形成的SiC MOSFET模块仿真模型在牵引变流器共模传导电磁干扰分析的应用，其特征在于，大功率开关器件SiC MOSFET在开关暂态产生的高du/dt和di/dt是功率电子变换设备的主要高频干扰源，当牵引变流器工作时，开关器件SiC MOSFET的动作会使逆变桥臂中点电压产生准阶跃变化，对SiC MOSFE器件与散热片之间的寄生电容进行充电和放电，形成共模干扰电流产生电磁干扰，该仿真模型进行系统共模传导电路分析，完善变流器产品的电磁兼容设计。
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