基于SIMPLIS軟件的功率MOSFET寄生參數(shù)仿真研究

馮興田，王世豪，邵 康

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

功率器件MOSFET廣泛應(yīng)用于短路保護(hù)、電動(dòng)機(jī)控制、開關(guān)電路［1-4］等場(chǎng)合，不同的設(shè)計(jì)需求促生了MOSFET的多種類型和有效的設(shè)計(jì)使用方法。文獻(xiàn)［5］中通過(guò)采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等技術(shù)來(lái)提升功率MOSFET的性能，突破了傳統(tǒng)MOSFET硅極限和SJ MOSFET硅極限關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種高效節(jié)能的功率MOSFET。文獻(xiàn)［6］中結(jié)合SiC MOSFET的參數(shù)特性及驅(qū)動(dòng)要求，采用了一種柵極有源箝位串?dāng)_抑制方法，設(shè)計(jì)了一種高效的SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路。文獻(xiàn)［7］中則在Si基橫向雙擴(kuò)散MOSFET模型的基礎(chǔ)上，采用與溫度相關(guān)的電流源和電壓源補(bǔ)償器件漏極電流和閾值電壓的變化，設(shè)計(jì)了一種減少工作溫度影響的SiC 功率MOSFET。

功率MOSFET在開關(guān)過(guò)程中要跨越線性工作區(qū)，形成電流和電壓的交錯(cuò)區(qū)，從而產(chǎn)生一定的損耗，米勒平臺(tái)就是在這個(gè)過(guò)程中形成的一段時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定的線性區(qū)［8-9］。在MOSFET 的關(guān)斷過(guò)程中，不同的寄生參數(shù)會(huì)改變電路中米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使MOSFET構(gòu)成的高性能變換器失去零電壓開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)［10］。

本文基于SIMPLIS 仿真軟件和實(shí)際MOSFET 特點(diǎn)，建立MOSFET 的仿真模型，進(jìn)行MOSFET 寄生參數(shù)影響的研究，獲取寄生參數(shù)影響規(guī)律。通過(guò)直觀的仿真模型、仿真數(shù)據(jù)及波形，將抽象的內(nèi)部參數(shù)關(guān)系展示給學(xué)生，便于學(xué)生理解和掌握該部分知識(shí)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，加深學(xué)生對(duì)MOSFET 器件性能的理解。

1 MOSFET寄生參數(shù)分析建模

為兼顧仿真速度和仿真精度，本文選用SIMPLIS軟件對(duì)MOSFET的寄生參數(shù)進(jìn)行仿真分析。SIMPLIS軟件是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的仿真內(nèi)核，對(duì)非線性器件可以采用分段線性建模，將一個(gè)完整的系統(tǒng)定義為線性電路結(jié)構(gòu)的循環(huán)序列，以描述開關(guān)電源系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性。它可以實(shí)現(xiàn)電源電路的高速仿真，且能夠?qū)⒎抡婢扰c收斂性能有效結(jié)合［11-13］。

圖1 所示為在SIMPLIS軟件中搭建的MOSFET仿真模型。針對(duì)MOSFET 的寄生電容進(jìn)行分段線性建模，根據(jù)內(nèi)部器件的工作原理確定其轉(zhuǎn)移特性、輸出特性和圖像數(shù)據(jù)完成對(duì)MOSFET的建模。

圖1 Simplis中搭建的MOSFET模型

圖中：Cgs、Cgd、Cds為MOSFET寄生電容，均采用分段線性（Piecewise linear，PWL）電容建模；G1為壓控電流源；Rline為分段線性電阻；S1為壓控晶體管。PWL電容器由xy平面上的一系列點(diǎn)定義，電荷（q）在垂直軸y上，電壓（u）在水平軸x 上。按照這個(gè)定義，隨著電容器兩端的電壓變化，電荷始終是連續(xù)的。SIMPLIS軟件可以將一定電壓范圍內(nèi)的PWL 電容器的q-u 特性定義為任意段。為了兼顧仿真速度與仿真精度，將MOSFET中的寄生電容參數(shù)線性段分為10 段。

線性電容的q-u表達(dá)式為

非線性電容的q-u表達(dá)式為：

本文研究的MOSFET型號(hào)為C2M0080120D，在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中，官方給出了輸入電容（漏源極短接，用交流信號(hào)測(cè)得柵極和源極之間的電容就是輸入電容Ciss，Ciss由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯(lián)而成）、輸出電容（柵源極短接，用交流信號(hào)測(cè)得漏極和源極之間的電容就是輸出電容Coss，Coss由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯(lián)而成）、反向傳輸電容（源極接地情況下，測(cè)得漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容Crss，反向傳輸電容等同于柵漏電容Cgd）的電容-電壓曲線，Cgs和Cds可以由各電容并聯(lián)關(guān)系計(jì)算得出。

利用數(shù)據(jù)提取軟件采集數(shù)據(jù)手冊(cè)中的圖像數(shù)據(jù)和利用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的Ciss、Coss、Crss數(shù)據(jù)曲線如圖2 所示。Cgs、Cds、Cgd實(shí)際參數(shù)曲線及其PWL模型參數(shù)對(duì)比曲線如圖3 所示。Cgs、Cds、Cgd實(shí)際模型及其PWL 模型的電荷-電壓對(duì)比曲線如圖4所示。

圖2 Ciss、Coss、Crss數(shù)據(jù)曲線

圖3 Cgs、Cds、Cgd實(shí)際參數(shù)曲線及其PWL模型參數(shù)曲線

圖4 Cgs、Cds、Cgd實(shí)際模型及其PWL模型的Q-u曲線

完成MOSFET寄生電容的分段線性建模之后，需要根據(jù)SIMPLIS中搭建的MOSFET模型的內(nèi)部器件的工作原理，來(lái)探究MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，從而準(zhǔn)確得到MOSFET的仿真模型。圖5 為針對(duì)圖1中壓控晶體管S1的分析，其中，圖5（a）為S1的原理示意圖，圖5（b）為S1導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下的等效電路，圖5（c）為S1工作特性圖。

圖5 壓控晶體管S1的原理示意圖、等效電路及工作特性圖

MOSFET的轉(zhuǎn)移特性可以表示為：

通過(guò)Rline可以控制gain，將MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行分段控制，當(dāng)Usat設(shè)置為0 時(shí)，可變電阻區(qū)內(nèi)任意ugs下MOSFET 導(dǎo)通電阻為Rsat固定值，這一點(diǎn)與實(shí)際特性不符，但在研究MOSFET關(guān)斷特性時(shí)，MOSFET導(dǎo)通電阻幾乎不影響關(guān)斷過(guò)程。所以MOSFET 在飽和區(qū)以及可變電阻區(qū)的輸出特性可以由圖1 中的G1、Rline和S1聯(lián)合表達(dá)。經(jīng)過(guò)上述方法對(duì)這種MOSFET的建模見表1。

表1 各寄生電容的分段參數(shù)

2 仿真設(shè)計(jì)與分析

為分析不同電路條件下MOSFET 的關(guān)斷過(guò)程，搭建以C2M0080120D 型號(hào)MOSFET 為開關(guān)器件的半橋LLC諧振變換器［14-15］仿真模型，如圖6 所示。

在5、20 Ω兩種不同驅(qū)動(dòng)電阻條件下，MOSFET的仿真關(guān)斷過(guò)程（電路電流為8.8 A）如圖7 所示。從仿真波形可見，MOSFET開關(guān)管在5 Ω驅(qū)動(dòng)電阻下，觸發(fā)脈沖關(guān)斷時(shí)，ugs迅速下降，并不存在明顯的米勒平臺(tái)，設(shè)定MOSFET工作在飽和區(qū)的時(shí)間為米勒平臺(tái)時(shí)間，此時(shí)米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間為10.37 ns，當(dāng)米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)，開關(guān)管漏源極并未充至電源電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻為20 Ω時(shí)，米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間為44.48 ns，當(dāng)米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)，開關(guān)管漏源極已經(jīng)完全充至電源電壓。

圖6 電路仿真模型

圖7 不同驅(qū)動(dòng)電阻下的仿真關(guān)斷過(guò)程

圖8 不同工作電流條件下的關(guān)斷波形

在5 Ω 驅(qū)動(dòng)電阻不變情況下，MOSFET 在不同工作電流下的關(guān)斷波形如圖8 所示。電路工作電流8.8A時(shí)，雖然MOSFET 的總體關(guān)斷時(shí)間較短，但米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間為10.37 ns；而當(dāng)工作電流減小至1.8 A時(shí)，總體關(guān)斷時(shí)間增長(zhǎng)，但米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間減小至6.67 ns。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知：驅(qū)動(dòng)電阻越小，同等條件下米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間越短，這是由于同等Cgd放電電流idg條件下，小驅(qū)動(dòng)電阻產(chǎn)生的反饋電壓越?。贿@種反饋?zhàn)饔迷叫?，米勒平臺(tái)的電壓值以及持續(xù)時(shí)間就越小。電路中的工作電流越小，在整個(gè)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，給寄生電容放電的電流越小，同樣會(huì)降低米勒平臺(tái)的幅值以及關(guān)斷時(shí)間；當(dāng)工作電流小到一定值時(shí)，米勒平臺(tái)幾乎不存在。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于SIMPLIS軟件對(duì)功率器件MOSFET的寄生參數(shù)進(jìn)行仿真，分析并驗(yàn)證了MOSFET 仿真參數(shù)關(guān)斷時(shí)間的影響規(guī)律。通過(guò)建模分析以及一系列的仿真訓(xùn)練，能夠加深學(xué)生對(duì)電力電子器件的理解，強(qiáng)化“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)研究，提高學(xué)生采用SIMPLIS、Matlab軟件進(jìn)行仿真分析的能力，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)科研興趣。