SiC仿真攻略手冊(cè)——詳解物理和可擴(kuò)展仿真模型功能！

過去，仿真的基礎(chǔ)是行為和具有基本結(jié)構(gòu)的模型。這些模型使用的公式我們?cè)趯W(xué)校都學(xué)過，它們主要適用于簡單集成電路技術(shù)中使用的器件。但是，當(dāng)涉及到功率器件時(shí)，這些簡單的模型通常無法預(yù)測(cè)與為優(yōu)化器件所做的改變相關(guān)的現(xiàn)象。當(dāng)今大多數(shù)功率器件不是橫向結(jié)構(gòu)，而是垂直結(jié)構(gòu)，它們使用多個(gè)摻雜層來處理大電場。柵極從平面型變?yōu)闇喜坌?，引入了更?fù)雜的結(jié)構(gòu)，如超級(jí)結(jié)，并極大地改變了MOSFET的行為。基本Spice模型中提供的簡單器件結(jié)構(gòu)沒有考慮所有這些非線性因素。

現(xiàn)在，通過引入物理和可擴(kuò)展建模技術(shù)，安森美(onsemi)使仿真精度進(jìn)一步提升到更高的水平，本文將主要介紹物理和可擴(kuò)展仿真模型功能的相關(guān)內(nèi)容。

這種基于物理公式、工藝參數(shù)和布局參數(shù)的建模技術(shù)考慮了我們的產(chǎn)品為現(xiàn)代功率開關(guān)器件所引入的所有非線性。物理公式可以捕獲現(xiàn)代功率器件在所有不同區(qū)域中的溫度依賴性和傳播效應(yīng)。針對(duì)專用技術(shù)（SiC MOSFET M3和IGBT FS4等）創(chuàng)建了一個(gè)核心模型——通過布局參數(shù)設(shè)置芯片尺寸，以獲取特定的器件。

物理和可擴(kuò)展仿真模型所包含的值遠(yuǎn)不止通過數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)或在幾乎理想的測(cè)量環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù)手冊(cè)值。該模型可在規(guī)格限值內(nèi)仿真所有條件下的所有值。在物理和可擴(kuò)展仿真模型中還可以捕獲數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供的參數(shù)或曲線——可通過仿真獲取。大多數(shù)時(shí)候，只需運(yùn)行一個(gè)簡單的仿真原理圖。

為舉例說明物理和可擴(kuò)展模型的強(qiáng)大功能，我們將比較通過仿真兩個(gè)超級(jí)結(jié) MOSFET 模型（一個(gè)行為模型和一個(gè)物理和可擴(kuò)展模型）獲得的輸出電容結(jié)果。這兩個(gè)超級(jí)結(jié)MOSFET性能相近（650V，導(dǎo)通電阻約為18mΩ）。首先，我們將仿真結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)疊加。

圖1. 行為模型輸出電容仿真結(jié)果

在上圖和下圖（分別為圖1和圖2）中，彩色曲線是通過仿真獲得的，而疊加的黑色曲線是基于器件規(guī)格的曲線。圖1來自競爭對(duì)手的模型，因?yàn)樗邪采莱?jí)結(jié)MOSFET模型都不是行為模型，而是物理和可擴(kuò)展模型。行為模型無法捕捉到輸出電容近103的下降，這是所有超級(jí)結(jié)MOSFET固有的特性。

圖2. 物理和可擴(kuò)展模型輸出電容仿真結(jié)果

接下來，為了比較用于獲得圖 1 和圖 2 的相同硅超級(jí)結(jié) MOSFET 模型，我們這次使用相同的對(duì)數(shù)刻度繪制了輸出電容（或COSS）。該刻度放大了差異，但有助于我們讀取兩種器件在最小阻斷電壓下的最大電容值和最大阻斷電壓下的最小電容值的仿真結(jié)果，如圖 3 所示。

圖3. 行為模型與物理和可擴(kuò)展性模型的輸出電容仿真結(jié)果比較

假設(shè)我們想要使用半橋或全橋結(jié)構(gòu)來仿真軟轉(zhuǎn)換或零電壓開關(guān)應(yīng)用。在轉(zhuǎn)換期間，我們認(rèn)為電感電流恒定，這意味著電感足夠大。

圖4. 行為模型與物理和可擴(kuò)展性模型的輸出電容仿真結(jié)果比較

我們?cè)噲D獲得幾乎相同的轉(zhuǎn)換時(shí)間（圖4）。由于低電壓下電容值具有十倍數(shù)差異（參見圖3），因此為輸出電容充電和獲得軟轉(zhuǎn)換所需的電流值也有十倍數(shù)差異。

如圖2所示，安森美物理和可擴(kuò)展仿真模型給出的輸出電容值（或COSS）是準(zhǔn)確且真實(shí)的。這意味著使用圖4中的安森美物理和可擴(kuò)展仿真模型仿真得到軟轉(zhuǎn)換所需的電流也是有效的。

使用行為仿真模型，您會(huì)將諧振轉(zhuǎn)換所需的能量低估 10 倍——該誤差或錯(cuò)誤可能導(dǎo)致需要全部重新設(shè)計(jì)應(yīng)用的諧振回路和系統(tǒng)。

現(xiàn)在，您可以使用安森美物理和可擴(kuò)展仿真模型，以出色的精度仿真零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換。您將獲得轉(zhuǎn)換所需的實(shí)際能量，因?yàn)榉抡婺Ｐ筒东@了COSS在超過103倍變化率范圍的所有電容非線性。

物理和可擴(kuò)展仿真模型功能

使用SIMetrix獲取內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓

鍵合和封裝位于芯片和電、熱接觸點(diǎn)之間。組裝通過寄生串聯(lián)電感和電阻或電阻抗和熱阻抗影響芯片性能。封裝引腳加上鍵合和金屬掩模可增加高達(dá)10mΩ的串聯(lián)電阻。

為了量化這些影響，可以訪問三引腳MOSFET的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，如柵極、漏極和源極（參見圖5）。

圖5. 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與外部節(jié)點(diǎn)

在極高速開關(guān)中，柵極是硬開關(guān)和軟開關(guān)中最關(guān)鍵的信號(hào)。掌握MOSFET何時(shí)真正導(dǎo)通和關(guān)斷非常有必要。例如，它可以幫助設(shè)計(jì)人員在半橋結(jié)構(gòu)中設(shè)置高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)之間的延遲。

要訪問內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)查找器件和可用引腳名稱。引腳標(biāo)記末尾帶有“i”，表示“內(nèi)部”。

在SIMetrix中，只需在仿真選項(xiàng)控制面板中選擇此功能，即可獲得內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓。然后，名稱看上去類似“Qn:xy:di”（例如）為內(nèi)部漏極節(jié)點(diǎn)電壓。它直接是芯片級(jí)的電壓。我們現(xiàn)在可以測(cè)量施加到芯片上的實(shí)際漏極-源極電壓，不存在任何可能增加或減少振鈴的寄生效應(yīng)。

我們采用由SiC MOSFET NTHL015N065SC1構(gòu)成的一個(gè)半橋架構(gòu)，改變外部柵極電阻，并比較芯片級(jí)和封裝級(jí)之間的漏極-源極電壓差。該器件采用TO247三引腳封裝。

在下圖中，我們可以比較導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的漏極-源極波形。導(dǎo)通時(shí)，振鈴較低，而關(guān)斷時(shí)則相反（見圖6和圖7）。

淺色曲線是芯片漏極-芯片源極電壓，深色曲線是封裝漏極-封裝源極引腳電壓。

圖6. 導(dǎo)通時(shí)內(nèi)部和外部漏極-源極電壓的差異

圖7. 關(guān)斷時(shí)內(nèi)部和外部漏極-源極電壓的差異

如前所述，獲取實(shí)際的芯片柵極信號(hào)有助于提供相關(guān)信息。我們采用一個(gè)由 SiC MOSFET NTH4L015N065SC1 構(gòu)成的半橋架構(gòu)，改變外部柵極電阻，并比較芯片級(jí)和封裝級(jí)之間的柵極-源極電壓差（參見圖8和9）。

圖8. 內(nèi)部和外部柵極-源極電壓的差異及其與外部柵極電阻的函數(shù)關(guān)系

淺色曲線是芯片柵極電壓，而深色曲線是封裝柵極引腳電壓。

我們來逐步查看當(dāng)柵極電阻改變時(shí)會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)電阻大于10Ω時(shí)，外部和內(nèi)部柵極電壓幾乎同時(shí)超出閾值（即，對(duì)于安森美SiC MOSFET為2V）。存在一個(gè)10ns以內(nèi)的延遲。

當(dāng)電阻小于等于5Ω時(shí)，我們可以看到，在關(guān)斷期間，只有外部柵極電壓會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰和越來越多的振蕩，而內(nèi)部柵極電壓相對(duì)平滑。

當(dāng)電阻為5Ω或2Ω時(shí)，在閾值交叉處可以明顯看到兩個(gè)電壓（外部和內(nèi)部）之間存在相當(dāng)大的延遲（約為40ns）。

對(duì)于5Ω，外部電壓給出的關(guān)斷時(shí)間約為80ns，而內(nèi)部關(guān)斷時(shí)間約為120ns，因此延長了50%。對(duì)于2Ω，情況則更糟。外部電壓給出的關(guān)斷時(shí)間約為40ns，而內(nèi)部關(guān)斷時(shí)間為80ns，因此關(guān)斷時(shí)間延長了100%。

具體取決于外部和內(nèi)部柵極阻抗之比。在上述圖8示例中，內(nèi)部柵極阻抗略低于1Ω。

在圖9中，我們通過改變芯片設(shè)計(jì)和柵極流道，將內(nèi)部柵極阻抗提高到接近5Ω，但是對(duì)于相同的封裝，我們通常會(huì)看到一個(gè)更長的關(guān)斷時(shí)間，與預(yù)期相同。同時(shí)，柵極網(wǎng)絡(luò)的阻尼更大，外部柵極節(jié)點(diǎn)電壓上的振鈴更少。

圖9. 提高內(nèi)部柵極阻抗時(shí)，內(nèi)部和外部柵極-源極電壓的差異

圖9顯示當(dāng)外部柵極電阻低于10Ω時(shí)，內(nèi)部和外部柵極電壓之間的延遲較長。一些制造商使用高內(nèi)部柵極阻抗來降低最大漏極-源極dV/dt和EMI成分，并限制由柵極氧化物應(yīng)力導(dǎo)致的故障。

然而，依賴外部柵極電壓波形來設(shè)置半橋或全橋架構(gòu)中的開關(guān)之間的延遲時(shí)，也會(huì)增加擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10. 柵極-源極電壓延遲

當(dāng)外部電阻低于10Ω時(shí)，閾值交叉時(shí)間存在很大差異，如圖10所示。甚至內(nèi)部柵極和外部柵極信號(hào)的過零和關(guān)斷閾值交叉也會(huì)發(fā)生在不同的時(shí)間。在半橋架構(gòu)的情況下，MOSFET開關(guān)相位不同或采用架構(gòu)，我們可以測(cè)量到外部柵極上得關(guān)斷延遲要比實(shí)際關(guān)斷時(shí)間低得多。因此，會(huì)導(dǎo)致另一側(cè)的MOSFET過早打開，并造成嚴(yán)重?fù)舸?/p>

同樣，獲取內(nèi)部芯片電壓對(duì)于設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t以避免高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的交叉導(dǎo)通非常有幫助。

使用邊界模型

在線提供的模型使用工廠標(biāo)稱值生成和校準(zhǔn)。它們給出了典型的數(shù)據(jù)手冊(cè)值。

但是，在現(xiàn)實(shí)中，由于制造中的工藝差異，參數(shù)值遵循高斯分布。

對(duì)于特定技術(shù)，可以創(chuàng)建具有最小值和最大值的模型。然后，我們可以研究不同器件的并聯(lián)，或者查看器件隨極端情況數(shù)值變化的反應(yīng)。

為了說明該性能，我們采用一個(gè)由三個(gè)并聯(lián)工作的 SiC MOSFET 組成的高壓降壓級(jí)電路（參見圖 11）。

圖11. 邊界模型降壓級(jí)

圖12. SiC MOSFET 邊界模型的降壓級(jí)波形

圖12中的結(jié)果顯示SiC MOSFET中的電流非常不均衡。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，開關(guān)或SiC MOSFET中的電流分為30A、12A和7A，電感中的平均穩(wěn)態(tài)電流為50A。流過每個(gè)MOSFET的理論電流值約為17A，存在+13/-10A的誤差。因此，就電流均衡而言，QH1（最低閾值MOSFET）的誤差為+76%，QH0（平均閾值 MOSFET）的誤差為-29%，QH2（最高閾值 MOSFET）的誤差為-59%。

我們現(xiàn)在還可以使用圖13和圖14分析導(dǎo)通和關(guān)斷細(xì)節(jié)。

圖13. 導(dǎo)通序列局部放大

導(dǎo)通時(shí)，如圖13所示，在閾值電壓最低的SiC MOSFET中流動(dòng)的電流要高得多。這個(gè)MOSFET承受大部分電感電流以及反向容性SiC肖特基二極管電流。此外，并非所有SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗都相同。

同樣，在關(guān)斷期間，幾乎所有電流都流入閾值電壓最低的SiC MOSFET（參見圖14）。

我們還可以看到，閾值電壓最高的SiC MOSFET的電流首先開始下降，然后閾值電壓居中的SiC MOSFET的電流也開始下降。但是，在兩個(gè)SiC MOSFET完全關(guān)斷之前，三柵極網(wǎng)絡(luò)中的諧振會(huì)使這兩個(gè)SiC MOSFET的導(dǎo)通變差，因?yàn)樗鼈兊恼w柵極-源極電壓會(huì)略有增加。它們?cè)陂_關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓負(fù)斜率期間再次導(dǎo)通，但僅占總電流的一小部分。

圖14. 關(guān)斷序列放大

圖15. 內(nèi)部與外部柵極-源極電壓關(guān)斷序列局部放大

同樣，如果我們對(duì)內(nèi)部和外部柵極-源極電壓之間的差異進(jìn)行分析，將獲得圖15中的結(jié)果?？梢钥吹皆谕獠繓艠O-源極電壓中存在柵極網(wǎng)絡(luò)振蕩。當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓為負(fù)斜率時(shí)，外部柵極-源極電壓也會(huì)出現(xiàn)明顯的尖峰。在圖14中，在71.2 μs處的共用驅(qū)動(dòng)電壓上也可以看到這個(gè)尖峰。

我們可以對(duì)漏極-源極電壓與漏極電流的乘積進(jìn)行積分，根據(jù)積分周期（導(dǎo)通、關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)間）獲得開關(guān)損耗能量或?qū)〒p耗功率。我們還可以計(jì)算同一乘積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值，以獲得每個(gè)SiC MOSFET的總損耗。

圖16. 每個(gè)SiC MOSFET的總功率損耗

正如預(yù)期和圖16所示，閾值電壓最低的Si CMOSFET的總損耗最大。

進(jìn)一步觀察可知，最低閾值SiC MOSFET的損耗略低于100W。閾值電壓居中的器件損耗介于38W和39W之間，而最高閾值SiC MOSFET損耗則為36W至37W。

當(dāng)我們使用遲滯控制或自振蕩反饋時(shí)，開關(guān)頻率不是很穩(wěn)定。這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)周期的一些仿真和計(jì)算誤差。仿真精度和隨機(jī)變化的仿真時(shí)間步長也會(huì)引起誤差——轉(zhuǎn)化為曲線上的某些噪聲。

圖17. 每個(gè)SiC MOSFET的導(dǎo)通、關(guān)斷和導(dǎo)通損耗能量

每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通損耗（參見圖17）與每個(gè)SiC MOSFET中的導(dǎo)通電流保持一致。這并不令人意外。

對(duì)于導(dǎo)通能量，最低閾值SiC MOSFET的平均導(dǎo)通能量為400μJ，與其他兩個(gè)的250μJ相比，幾乎翻倍。

在閾值電壓最低的SiC MOSFET中，關(guān)斷能量要高出很多，超過550μJ。閾值電壓居中的SiC MOSFET具有120μJ的關(guān)斷能量，而閾值電壓最高的SiC MOSFET的關(guān)斷能量僅為90μJ。其中一個(gè)MOSFET與其他MOSFET的差異達(dá)到五倍。