CN116842720A - 基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法及系统 - Google Patents

基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法及系统，涉及SiC MOSFET器件建模技术领域，方法包括：根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。本公开建立的SiC MOSFET精确度高，摆脱了Spice单一的电学环境，适用于多温度条件。

Description

基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法及系统
技术领域
本公开涉及SiC MOSFET器件建模技术领域，具体涉及基于Simulink的多温度SiCMOSFET建模方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
SiC作为第三代半导体，相比Si有着宽禁带、高击穿场强、高热导率等优点。由SiC制成的MOSFET正逐步取代Si IGBT，被广泛应用于航空航天、轨道交通、电动汽车等各个方面。SiC MOSFET模型可分为五类：数值模型、半数值模型、物理模型、半物理模型、行为模型。其中数值模型和物理模型是基于器件物理性质进行建模，复杂度高且计算复杂；行为模型不需要考虑器件物理性质，直接模拟器件特性，非常适合应用程序开发。
主流的SiC MOSFET仿真软件主要有PSpice和Matlab/Simulink，PSpice主要针对电路仿真，Simulink着重算法控制及方程求解。大多数SiC MOSFET模型基于PSpice建立而成，部分参数求解复杂，对于控制算法的处理能力偏弱，数据处理速度较低。Matlab作为自动控制领域应用最广泛的软件，计算速度快，处理能力强。利用Matlab特有的S函数，可以搭建基于Simulink的SiC MOSFET模块。但现有的Simulink模型并不完善，或者结构复杂，精确度低，或者在求解中容易产生不收敛等问题，对SiC MOSFET的开发应用产生不利的影响。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法及系统，利用Matlab S函数搭建Simulink模型，考虑温度对器件特性的影响，建立更精确的行为仿真模型。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，包括：
根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiCMOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模系统，包括：
初始化模块，用于根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
模型构建模块，用于根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开基于Simulink建立了一个精确的SiC MOSFET多温度模型，仿真速度快、仿真易收敛，所建立的SiC MOSFET精确度高，摆脱了Spice单一的电学环境，适用于多温度条件，可广泛应用于电子电力、控制系统等领域的模型仿真、器件开发等工作。
本公开构建的模型灵活度高，可拓展性好，基于本模型可用不同的建模方法进行快速建模，从而降低电子电力仿真系统开发成，为SiC MOSFET的应用开发提供依据。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例的基于Simulink的多温度SiC MOSFET仿真模型建立流程图；
图2为本公开实施例的SiC MOSFET等效电路模型示意图；
图3为本公开实施例的基于Simulink的多温度SiC MOSFET电路模型示意图；
图4为本公开实施例的仿真和数据手册提供的输出特性对比示意图；
其中，图4中的(a)为在-40℃下输出特性对比示意图；
图4中的(b)为在25℃下输出特性对比示意图；
图4中的(c)为在175℃下输出特性对比示意图；
图5为本公开实施例的仿真和数据手册提供的转移特性对比示意图；
图6为本公开实施例的仿真和数据手册提供的寄生电容曲线对比示意图；
图7为本公开实施例的仿真与数据手册提供的关断电压对比示意图；
图8为本公开实施例的仿真与数据手册提供的关断电流对比示意图；
图9为本公开实施例的仿真与数据手册提供的开启电压对比示意图；
图10为本公开实施例的仿真与数据手册提供的开启电流对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本公开的一种实施例中提供了一种基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，包括：
步骤一：根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
步骤二：依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
步骤三：根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
作为一种实施例，本公开的一种基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法的具体实施过程为：
S1：根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
S2：依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
S3：再根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；
S4：采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
具体的，在步骤S2中，仿真模型的沟道电流模型Id包含参数k、a、b、c、d；k,a,b,c,d为方程中的拟合参数，栅源电压Vgs：漏源电压Vds；温度T；参数p，为Vgs、T的函数；参数q，为Vgs、T的函数。温度T为电流模型的一个独立参数；P，q是模型中的两个参数，它们都是V，T的函数，具体方程为：
Id＝k·1+tanh[a·(Vgs+b)+c·(Vgs+d)2]}·p(Vgs,T)·Vds/[1+q(Vgs,T)·Vds]
其中：
其中A、B、C、D、E、F为与温度相关的参数。
寄生电容模型主要包括Cgs、Cds、Cgd，具体方程为：
Cgs＝C(常数)
其中A1～A9为寄生电容参数。这三个都是SiC MOSFET内部的寄生电容，其中，Cgs为栅源寄生电容，Cds为漏源寄生电容，Cgd为栅漏寄生电容。
体二极管模型为：
其中，Isd为体二极管电流；Vsd为体二极管两端电压；Is为饱和电流；q为电荷量；k为波尔曼茨常数；N为注入系数；Rd为寄生电阻；T为SiC MOSFET结温。
在步骤S3中，根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；
采用英飞凌公司型号为C3M0025065K的SiC MOSFET作为具体的示例。从官网下载C3M0025065K的数据手册后可以进行参数提取。
提取参数主要流程：利用图像数字化工具将SiC MOSFET数据手册中的动静态特性曲线转化为数据；根据沟道电流模型与相应的输出特性、转移特性曲线在数据拟合软件中拟合出模型参数；根据寄生电容模型与相应的寄生电容变化曲线在数据拟合软件中拟合出模型参数；根据体二极管模型与相应的特性曲线在拟合软件中拟合出模型参数。若结果不理想，可以合理调整参数或者重新提取参数。
在步骤S4中，提取各模型需要的参数后，根据SiC MOSFET等效电路模型在Simulink中建立SiC MOSFET模型。
具体的，SiC MOSFET等效电路如图2所示，图2中端口G为栅极；端口D为漏极；端口S为源极；元件Lg表示栅极寄生电感；元件Rg表示栅极电阻；元件Ld表示漏极寄生电感；元件Rd表示漏极电阻；元件Ls表示源极寄生电感；元件Rs表示源极电阻；元件CGD表示栅漏寄生电容；元件CGS表示栅源寄生电容；元件CDS表示漏源寄生电容；元件Gmos表示主沟道电流；元件bodydioede表示寄生体二极管。
根据图2所示SiC MOSFET等效电路图搭建的Simulink模型如图3所示。其中1表示栅极；2表示漏极；3表示源极；4表示温度接口；5为基于Matlab S函数的沟道电流模型Id，输出量为栅源电压Vgs，漏源电压Vds，温度T；输出量为Id。
具体方程为：
Id＝k·1+tanh[a·(Vgs+b)+c·(Vgs+d)2]}·p(Vgs,T)·Vds/[1+q(Vgs,T)·Vds]
其中k、a、b、c、d为参数；参数p，为Vgs、T的函数；参数q，为Vgs、T的函数：
其中A、B、C、D、E、F为与温度相关的参数。
图3中的6为非线性栅漏寄生电容Cgd的封装模块，输入量为Vgd，表现出可变电容的性质，其值大小随输入电压Vgd的变化而变化。
具体方程为：
其中A6～A9为参数。
图3中的7为栅源寄生电容Cgs，一般取固定值，具体数值可查数据手册。
图3中的8为可控电流源，将沟道电流模型输出的数字信号转化为电流信号。
图3中的9为体二极管的封装模块，输入量为Vds，表现为二极管的性质，其特性随Vds的变化而变化。
图3中的10为非线性漏源寄生电容Cds的封装模块，输入量为Vds，表现出可变电容的性质，其值大小随输入电压Vds的变化而变化。
具体方程为：
其中，A1～A5为参数。
图3中的11为漏极寄生电感Ld、漏极电阻Rd，具体数值可查数据手册。
图3中的12为栅极寄生电感Lg、栅极电阻Rg，具体数值可查数据手册。
图3中的13为源极寄生电感Ls，源极电阻Rs，具体数值可查数据手册。
图3中的14，15，16为电压测量装置，分别测量栅源电压Vgs，漏源电压Vds，栅漏电压Vgd，并将电压值输出到各模块。
为验证建立基于Simulink的多温度SiC MOSFET仿真模型的精确度，将仿真和数据手册提供的不同温度下输出特性曲线、转移特性特性曲线进行对比，如图4(a)～4(c)、图5所示，可以看出仿真结果与数据手册提供的数据吻合度较高，模型准确度高。
为建立的多温度SiC MOSFET仿真模型更加准确反映动态特性，将建立的寄生电容模型与数据手册提供的数据进行对比，如图6所示，可以看出建立的寄生电容模型非常精确。
为验证建立的多温度SiC MOSFET仿真模型在工作时开关特性的准确性，对建立的多温度SiC MOSFET仿真模型进行双脉冲仿真，测量其关断电压、关断电流、开启电压、开启电流；并将仿真结果与数据手册中的波形进行对比，对比示意图为图7～图10，可以看出建立的模型在开关波形与数据手册中提供的波形基本一致。因此，本发明基于Simulink的多温度SiC MOSFET仿真模型能够准确反应SiC MOSFET特性，并且建模过程简单，采用的方程易收敛，能够很好地应用于Matlab控制系统仿真，降低电子电力仿真系统开发成本，为SiCMOSFET的应用开发提供依据。
实施例2
本公开的一种实施例中提供了一种基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模系统，包括：
初始化模块，用于根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
模型构建模块，用于根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
实施例3
本公开的一种实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
实施例4
本公开的一种实施例中提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，包括：
根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
2.如权利要求1所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，所述沟道电流模型包括参数、栅源电压、漏源电压以及温度。
3.如权利要求1所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，所述寄生电容模型包括栅源寄生电容、漏源寄生电容、栅漏寄生电容。
4.如权利要求1所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，所述体二极管模型为：
其中，Isd为体二极管电流；Vsd为体二极管两端电压；Is为饱和电流；q为电荷量；k为波尔曼茨常数；N为注入系数；Rd为寄生电阻；T为SiC MOS FET结温。
5.如权利要求1所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数的方式为：利用图像数字化工具将SiC MOSFET数据手册中的动静态特性曲线转化为数据；根据沟道电流模型与相应的输出特性、转移特性曲线在数据拟合软件中拟合出模型参数；根据寄生电容模型与相应的寄生电容变化曲线在数据拟合软件中拟合出模型参数；根据体二极管模型与相应的特性曲线在拟合软件中拟合出模型参数。
6.如权利要求3所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，所述寄生电容模型包括Cgs、Cds、Cgd，具体方程为：
Cgs＝C(常数)
其中A1～A9为寄生电容参数；Cgs为栅源寄生电容，Cds为漏源寄生电容，Cgd为栅漏寄生电容。
7.如权利要求2所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法，其特征在于，沟道电流模型Id包含参数k、a、b、c、d，栅源电压Vgs：漏源电压Vds；温度T；参数p，为Vgs、T的函数；参数q，为Vgs、T的函数，具体方程为：
Id＝k·{1+tanh[a·(Vgs+b)+c·(Vgs+d)2]}·p(Vgs,T)·Vds/[1+q(Vgs,T)·Vds]
其中：
其中，A、B、C、D、E、F为与温度相关的参数。
8.基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模系统，其特征在于，包括：
初始化模块，用于根据SiC MOSFET数据手册获取SiC MOSFET动静态特性曲线；
依据SiC MOSFET特性曲线建立沟道电流模型、寄生电容模型、体二极管模型；
模型构建模块，用于根据沟道电流模型、寄生电容模型以及体二极管模型提取所需参数；采用SiC MOSFET等效电路模型在Simulink模型中建立SiC MOSFET模型。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的基于Simulink的多温度SiC MOSFET建模方法。
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