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

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引言

功率器件MOSFET廣泛應用于短路保護、電動機控制、開關(guān)電路［1-4］等場合，不同的設計需求促生了MOSFET的多種類型和有效的設計使用方法。文獻［5］中通過采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等技術(shù)來提升功率MOSFET的性能，突破了傳統(tǒng)MOSFET硅極限和SJ MOSFET硅極限關(guān)系，設計了一種高效節(jié)能的功率MOSFET。文獻［6］中結(jié)合SiC MOSFET的參數(shù)特性及驅(qū)動要求，采用了一種柵極有源箝位串擾抑制方法，設計了一種高效的SiC MOSFET 驅(qū)動電路。文獻［7］中則在Si基橫向雙擴散MOSFET模型的基礎上，采用與溫度相關(guān)的電流源和電壓源補償器件漏極電流和閾值電壓的變化，設計了一種減少工作溫度影響的SiC 功率MOSFET。

功率MOSFET在開關(guān)過程中要跨越線性工作區(qū)，形成電流和電壓的交錯區(qū)，從而產(chǎn)生一定的損耗，米勒平臺就是在這個過程中形成的一段時間相對穩(wěn)定的線性區(qū)［8-9］。在MOSFET 的關(guān)斷過程中，不同的寄生參數(shù)會改變電路中米勒平臺的持續(xù)時間，導致關(guān)斷時間過長，使MOSFET構(gòu)成的高性能變換器失去零電壓開關(guān)的優(yōu)點［10］。

本文基于SIMPLIS 仿真軟件和實際MOSFET 特點，建立MOSFET 的仿真模型，進行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)系展示給學生，便于學生理解和掌握該部分知識，在激發(fā)學生學習興趣的同時，加深學生對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MOSFET的寄生參數(shù)進行仿真分析。SIMPLIS軟件是以狀態(tài)空間法為基礎的仿真內(nèi)核，對非線性器件可以采用分段線性建模，將一個完整的系統(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)中半導體器件的開關(guān)特性。它可以實現(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MOSFET 的寄生電容進行分段線性建模，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平面上的一系列點定義，電荷（q）在垂直軸y上，電壓（u）在水平軸x 上。按照這個定義，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表達式為

非線性電容的q-u表達式為：

本文研究的MOSFET型號為C2M0080120D，在其數(shù)據(jù)手冊中，官方給出了輸入電容（漏源極短接，用交流信號測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，用交流信號測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)系計算得出。

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

圖2 Ciss、Coss、Crss數(shù)據(jù)曲線

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

圖4 Cgs、Cds、Cgd實際模型及其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，來探究MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，從而準確得到MOSFET的仿真模型。圖5 為針對圖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Rline可以控制gain，將MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性進行分段控制，當Usat設置為0 時，可變電阻區(qū)內(nèi)任意ugs下MOSFET 導通電阻為Rsat固定值，這一點與實際特性不符，但在研究MOSFET關(guān)斷特性時，MOSFET導通電阻幾乎不影響關(guān)斷過程。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。經(jīng)過上述方法對這種MOSFET的建模見表1。

表1 各寄生電容的分段參數(shù)

2 仿真設計與分析

為分析不同電路條件下MOSFET 的關(guān)斷過程，搭建以C2M0080120D 型號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)動電阻條件下，MOSFET的仿真關(guān)斷過程（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)動電阻下，觸發(fā)脈沖關(guān)斷時，ugs迅速下降，并不存在明顯的米勒平臺，設定MOSFET工作在飽和區(qū)的時間為米勒平臺時間，此時米勒平臺的持續(xù)時間為10.37 ns，當米勒平臺結(jié)束時，開關(guān)管漏源極并未充至電源電壓。當驅(qū)動電阻為20 Ω時，米勒平臺的持續(xù)時間為44.48 ns，當米勒平臺結(jié)束時，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)動電阻下的仿真關(guān)斷過程

圖8 不同工作電流條件下的關(guān)斷波形

在5 Ω 驅(qū)動電阻不變情況下，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，雖然MOSFET 的總體關(guān)斷時間較短，但米勒平臺的持續(xù)時間為10.37 ns；而當工作電流減小至1.8 A時，總體關(guān)斷時間增長，但米勒平臺的持續(xù)時間減小至6.67 ns。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知：驅(qū)動電阻越小，同等條件下米勒平臺持續(xù)時間越短，這是由于同等Cgd放電電流idg條件下，小驅(qū)動電阻產(chǎn)生的反饋電壓越小；這種反饋作用越小，米勒平臺的電壓值以及持續(xù)時間就越小。電路中的工作電流越小，在整個關(guān)斷時間內(nèi)，給寄生電容放電的電流越小，同樣會降低米勒平臺的幅值以及關(guān)斷時間；當工作電流小到一定值時，米勒平臺幾乎不存在。

3 結(jié)語

本文基于SIMPLIS軟件對功率器件MOSFET的寄生參數(shù)進行仿真，分析并驗證了MOSFET 仿真參數(shù)關(guān)斷時間的影響規(guī)律。通過建模分析以及一系列的仿真訓練，能夠加深學生對電力電子器件的理解，強化“電力電子技術(shù)”課程的教學研究，提高學生采用SIMPLIS、Matlab軟件進行仿真分析的能力，有助于激發(fā)學生的學習科研興趣。