一种基于物理的沟槽栅SiC MOSFET器件模型

一种基于物理的沟槽栅SiC MOSFET器件模型

Takeshi Horiguchi1, Takashi Masuhara1,

Katsutoshi Sugawara2, Yasushige Mukunoki1

1 三菱电机先端技术研究中心

2 三菱电机功率器件制作所

摘 要

本文介绍了一种基于物理的沟槽栅SiC MOSFET简洁模型。作者通过引入通道迁移率对漏源电压依赖性来重现其输出特性。本文提出的简洁器件模型可以很好地描述静态特性，特别是在高栅极电压的线性区域。除了静态特性外，仿真的动态特性与实验结果也吻合较好。本文所提出的简洁器件模型有望在仿真中得到应用广泛。

1、引言

SiC MOSFET由于其低通态电阻、高速开关和耐高温等优良特性，已被用于高效率的功率变换器。作为比平面栅SiC MOSFET更有吸引力的开关器件，沟槽栅SiC MOSFET已经在市场上开始应用。

电路仿真工具有利于栅极驱动电路的设计。SiC MOSFET的建模一直是一个比较热门的研究领域，各个器件制造商也为SiC MOSFET提供了不同的器件仿真模型[1-3]。文献[4]介绍了一种可以精确仿真开关瞬态过程的平面栅SiC MOSFET的简洁模型，在建立三个极间电容时均考虑了极间电压相关性，特别是输出电容和米勒电容具有漏源电压和栅极电压相关性。通过建立精确的极间电容模型，动态仿真结果与实验结果吻合较好。

本文在平面栅SiC MOSFET模型的基础上，建立了基于物理的沟槽栅SiC MOSFET器件模型。对于输出特性的建模，沟道迁移率μch在平面栅SiC MOSFET建模时可以忽略不计，但是其在沟槽栅SiC MOSFET建模时需要考虑，且与漏源电压相关。沟槽栅SiC MOSFET三个极间电容的建模方法与平面栅SiC MOSFET相同。

2、沟槽栅SiC MOSFET的建模过程

2.1 输出特性

本文以1200V沟槽栅SiC MOSFET作为被测器件(DUT)。图1说明了基于物理的器件建模过程。建模过程包括四个阶段。

图1：基于物理模型的器件建模过程

如图1所示，首先确定通道迁移率的初始值。沟槽栅SiC MOSFET中的沟道迁移率μch必须考虑漏源电压依赖性，而在平面栅SiC MOSFET建模中可以忽略不计。线性区域的漏极电流表示为：

其中Z为沟道宽度，Lch为沟道长度，vth为开通阈值电压，Cox为MOS电容。引入拟合参数K2，那么公式（1）可以变为：

其中εSiO2为栅氧化层介电常数，d为栅氧化层厚度，b为通道电压与漏源电压之比，K2为拟合常数。

在给定漏极电流的情况下，可以提取出每一级的压降。在每级压降的基础上，计算了沟槽栅SiC MOSFET漏源电压。在线性区域，沟槽栅SiC MOSFET初始沟道迁移率计算如下:

利用现有的图示仪对线性区的输出特性进行测量。图2给出了沟槽栅SiC MOSFET输出特性线性区仿真结果与实验结果的比较。图2中实心线为仿真结果，实心圆点为实验结果。模拟结果与实验结果吻合较好，特别是在15~19V等较高栅极电压的线性区。这一结果表明所开发的沟槽栅SiC MOSFET简洁模型在很宽的正栅极偏压条件下都可以准确的描述出通态电阻。

图2：沟槽栅SiC MOSFET输出特性曲线线性区对比

饱和区输出特性可以通过分析开通瞬态波形来评估 [5]。图3显示了从饱和区输出特性曲线提取的漏极电流、漏源电压和栅极电压波形。从漏极电流峰值时漏极电流、漏源电压、栅极电压之间的关系来评估饱和区输出特性。与传统图示仪测量方法相比，该方法在饱和区可以忽略器件的自身发热，特别是在高电压、大电流条件下[5]。图4显示了沟槽栅SiC MOSFET在饱和区输出特性曲线。

图3：用于提取沟槽栅SiC MOSFET饱和区输出特性的开通波形

图4：沟槽栅SiC MOSFET在饱和区输出特性曲线

2.2 极间电容

三个极间电容取决于栅极电压或漏源电压。栅极电容(Cgs)和漏源电容(Cds)可以用LCR测试仪测得。

图5显示了测量的栅极电容。由于沟道内耗尽层和沟道下p层的原因，沟槽栅SiC MOSFET中的Cgs与栅极电压明显密切相关。

图5：沟槽栅SiC MOSFET栅极电容

图6显示了测量的漏源电容。为了简单起见，Cgs和Cds被建模为栅极电压的函数。

图6：沟槽栅SiCMOSFET栅源电容

米勒电容(Cdg)是开关瞬态中非常关键的参数，被建模为栅极电压和漏源电压的函数。

图7显示了在漏极电流为0A条件下测得的开通瞬间栅极电压、栅极电流和漏源电压波形。假设米勒平台时的大部分栅极电流流入Cdg，则通过对Cdg的电荷相对于栅漏电压的微分得到Cdg的电容值。在Vgs电压给定的情况下，该分析给出了Cdg对vds的依赖关系。图8给出了通过分析图7所示的开通瞬态波形得到的Cdg电容。

图7：用于提取米勒电容的开通瞬态波形示例

图8：沟槽栅SiC MOSFET米勒电容

基于物理模型的沟槽栅SiCMOSFET器件模型包含输出特性建模和三个极间电容建模。

3、模型验证

在25℃下，通过常规的电感负载开关试验来验证模型的动态性能。P侧和N侧均采用分立沟槽栅SiC MOSFET。在700V直流母线电压下，测量了栅极电压、栅极电流、漏源电压和漏极电流。

图9显示了在漏极电流为25A时的实验和仿真开关波形对比。灰色线代表实验结果，绿色线代表仿真结果。

图9：漏极电流25A时的实验和仿真开关波形对比（a）开通波形（b）关断波形

仿真的Vgs和Ig波形与实验结果具有良好的一致性。与实验结果相比，仿真的Vds波形在开关瞬态有点滞后，这种偏差是由于器件饱和区的输出特性差异造成的。仿真的Id波形与实验结果吻合较好，但在开通峰值上有所不同，这是由于仿真模型没有考虑沟槽栅SiC MOSFET体二极管的反向恢复，导致仿真的漏极电流峰值低于实测值。

4、结 论

本文提出了一种基于物理的1200V沟槽栅SiC MOSFET简洁模型。该模型引入与漏源电压相关且在平面栅SiC MOSFET建模中被忽略的沟道迁移率μch。

本文提出的基于物理的简洁器件模型可以再现实测的输出特性，特别是在高栅极电压的线性区域。除了静态特性外，仿真的开关瞬态波形也与实验波形吻合良好。

本文所提出的简洁器件模型有望得到应用广泛，比如通过仿真的方法计算功率变换系统中器件的通态损耗和开关损耗。

参考文献

[1] T.R. McNutt, A. R. Hefner, H. A. Mantooth, D. Berning, and S.-H. Ryu: Siliconcarbide power MOSFET model and parameter extraction sequence, IEEE Transactionson Power Electronics, vol. 22, no. 2, pp. 353–363, Mar. 2007

[2] R.Fu, A. Grekov, J. Hudgins, A. Mantooth, and E. Santi: Power SiC DMOSFET modelaccounting for nonuniform current distribution in JFET region, IEEETransactions on Industry Applications vol. 48, no. 1, pp. 181-190, Jan./Feb.2012

[3] M.Mudholkar, S. Ahmed, M. N. Ericson, S. S. Frank, C. L. Britton, Jr., and H. A. Mantooth:Datasheet driven silicon carbide power MOSFET model, IEEE Transactions on PowerElectronics, vol. 29, no. 5, pp. 2220-2228, May 2014

[4] Y.Mukunoki, Y. Nakamura, T. Horiguchi, S. Kinouchi, Y. Nakayama, T. Terashima, M.Kuzumoto, and H. Akagi: Characterization and modeling of a 1.2-kV 30-Asilicon-carbide MOSFET, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 63, no. 11,pp. 4339-4345, Nov. 2016

[5] H.Sakairi, T. Yanagi, H. Otake, N. Kuroda, and H. Tanigawa: Measurementmethodology for accurate modeling of SiC MOSFET switching behavior over widevoltage and current ranges, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no.9, pp. 7314-7325, Sept. 2018

文章来源：三菱电机官网