碳化硅功率場效應功率晶體管仿真模型及其驅動研究

郝夏斐，潘三博

（安陽師范學院，安陽 455002）

碳化硅功率場效應功率晶體管仿真模型及其驅動研究

郝夏斐，潘三博

（安陽師范學院，安陽 455002）

0 引言

碳化硅半導體器件具有耐壓高、通態電阻低、漏電流小、開關速度高、電流密度高、耐高溫等優點，這決定了它在高溫、高頻率、高功率的應用場合是理想的下一代電力電子器件[1]。近年來，國內外對碳化硅結型場效應功率晶體管在高性能電力電子裝置的應用開始了探索性的研究[2,3]。本文從功率半導體結構出發，通過對靜態、動態參數的測量，計算出器件耗盡層寬度等半導體參數，建立了碳化硅結型場效應功率晶體管的仿真模型。通過器件高速開關瞬態時的電路模型的仿真分析，分析了器件開關速度、通態特性、開關瞬間的驅動電路震蕩、高速開關時dv/dt所產生的較大容性電流對驅動電路影響，建立了器件驅動電路模型。仿真結果驗證了驅動電路的有效性。

1 碳化硅器件及驅動電路模型

如圖1所示為碳化硅結型場效應功率晶體管的半導體結構圖。從圖中可以看出，器件由2個歐姆接觸的一條導電溝道組成，另外一個電極，柵極，通過改變耗盡層的寬度來控制溝道。

器件的主要尺寸是溝道長度WG，耗盡層寬度W。該器件是常通型器件，在常態下柵源電壓為零時導通，柵源極之間需要需要負壓使得導電溝道關斷。

圖1 碳化硅結型場效應功率晶體管結構圖

采用緩變溝道近似理論等半導體器件分析的一般簡化分析，設定：1）載流子的移動速度保持恒定。2）在柵結勢壘中主要是垂直溝道的電場的作用, 而沿著溝道方向的電場很弱，溝道寬度沿著溝道方向基本上不變或緩變。3）在溝道中主要是溝道方向的電場的作用,溝道寬度沿著溝道方向是緩變的。

設Vgs為柵源電壓，Vds為漏源電壓，Ids為漏源電流，Vbi為勢壘電壓，q為電子電量， Vp為 溝道夾斷電壓，Vc(x)為通道電勢，ε為導電常數，Nd為襯底摻雜密度。G0是擴展系數。

由設定2）知，柵結勢壘寬度只受到垂直溝道的電場的控制，求解泊松方程即可得到耗盡層寬度

由設定3）知，溝道電流Id主要是受到溝道方向電場的控制。

器件開通前，即

1.1 器件的靜態特性

器件的導通電阻Ron是非常重要的一個參數，它反應了器件的通態損耗的大小。它包括源極接觸電阻Rcs，源極電阻RN+，漏極接觸電阻RCD，溝道電阻Rd等，其中Rd是主要部分[4]。設Wbz為零偏壓時集區寬度，Wgd為GD間耗盡層的寬度。μ為電子遷移率，Ag為柵漏疊區面積，As為柵源疊區面積，As為柵源面積因子，有

值得注意的是，結型場效應管是電流雙向導通器件，Vgs滿足開通條件時，當Vds大于零時，電流方向為正，此時的溝道電阻為正向電阻，當Vds小于零時，電流方向為負，此時的溝道電阻為反向電阻。與常用的功率MOSFET器件類似，通常在碳化硅結型場效應功率晶體管兩端并聯一個反向的碳化硅肖特基二極管，碳化硅器件本身的反向恢復時間比較短，反向恢復過程幾乎可以忽略[5]。通過反并聯肖特基二極管，使得器件的導通壓降比體內寄生二極管有很大改善。

1.2 器件的動態特性

圖2所示為碳化硅結型場效應晶體管的等效電路[6]，有關器件開關過程的重要動態參數包含柵源極等效電容Cgs與柵漏極等效電容Cgd。

由式（1）得柵源、柵漏極耗盡層寬度為

圖2 碳化硅結型場效應晶體管等效電路

1.3 驅動等效電路

圖3為碳化硅結型場效應功率晶體管的驅動電路，驅動電路要求高速光耦實現電壓隔離，同時滿足高速開關時dv/dt的需要[7]，Tr1與Tr2組成的圖騰柱輸出，增加電流驅動能力，提高驅動速度，Vp為正的驅動電壓，Vss為負的關斷電壓。驅動輸出既結構簡單，又具有較好的開關特性與抑制驅動震蕩與電流尖峰的能力。1

圖3 驅動電路簡圖

設Qplt為器件的米勒電荷，Vplt為米勒區電壓，有驅動壓降

2 仿真與實驗研究

在選取以下參數：Vp＝ -18V，Vbi＝ 2.8V，Go＝ 10歐 姆-1，Wbz＝ 80×10-4cm，ε＝ 10.1，μ ＝ 0.76，Nd＝ 1016/cm3，Ag＝ 0.01cm2，As＝0.02cm2，fcsj＝0.5建立器件的仿真模型，建立圖4的器件測試電路，得到圖5器件的導通電阻測試值與仿真結果。

圖4 測試電路圖

由參數設定，可得以下仿真模型：

.model SiCJFET1 NJF(Beta=0.095 Betatc e=0 Rd=0.05 Rs=0.25 Lambda=31.77m Vto=-22 Vtotc=0 Is=10f Isr=0 N=1 Nr=2 Xti=3 Alph a=20.98u Vk=123.7 Cgd=100p M=.5 Pb=1 Fc=.5 Cgs=1000p Kf=50E-18 Af=1) 。圖6、圖7為器件的開通與關斷過程的仿真圖。圖8、圖9為器件開關測試圖。圖10為不同電阻值時的驅動電壓降。

圖5 導通電阻測試值與仿真值

圖6 開通仿真波形

圖7 關斷仿真波形

如圖5所示，器件導通電阻仿真結果與實際測量結果非常一致。圖8，圖9所測開關波形與圖6，圖7的仿真波形也相一致，圖10所示在圖3驅動電路中，不同的Roff/Ron比值對驅動電壓降的影響。

圖8 開通測試波形

圖9 關斷測試波形

3 結論

本文通過在對碳化硅結型場效應功率晶體管的靜態、動態特性進行半導體物理分析的基礎上建立仿真模型，仿真分析了器件的通態電阻與開關波形，結合實驗測試進行了驗證。并研究了不同驅動電阻對驅動電路壓降的影響。仿真結果與測試結果相一致，表明模型的建立理論上是正確的，實際參數的選擇是準確的。仿真與測試結果還表明碳化硅結型場效應功率晶體管具有通態電阻低、開關速度高等優點，是理想的新型電力電子器件。

圖10 不同Roff /Ron時的驅動電壓降

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Research of silicon carbide power JFET simulation model and its drive

HAO Xia-fei, PAN San-bo

研究碳化硅結型場效應功率晶體管的靜、動態性能及仿真模型，針對高速開關時的碳化硅器件開關震蕩，提出有效抑制震蕩與減小容性電流影響的碳化硅功率晶體管驅動電路。在分析器件半導體物理結構、測量碳化硅器件特性參數的基礎上建立器件仿真模型，通過器件開關特性的仿真，分析了電路的驅動電壓、開關速度、dv/dt及不同的驅動情況下對驅動電路壓降的影響。結果表明，碳化硅結型場效應功率晶體管具有通態電阻低、損耗小、開關速度高的特點，驅動電路能有效地工作于高頻狀態下，開關震蕩小，有利于器件應用在高性能的電力電子裝置中。

碳化硅；結型場效應晶體管；開關特性；驅動

郝夏斐（1975－），女，河南禹州人，講師，研究方向為計算機仿真與應用。

TN323

A

1009-0134(2011)4(下)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).30

2010-12-25

河南省科技廳科技發展計劃項目（102102210212）