SiC仿真攻略手冊——詳解物理和可擴展仿真模型功能！

過(guò)去，仿真的基礎是行為和具有基本結構的模型。這些模型使用的公式我們在學(xué)校都學(xué)過(guò)，它們主要適用于簡(jiǎn)單集成電路技術(shù)中使用的器件。但是，當涉及到功率器件時(shí)，這些簡(jiǎn)單的模型通常無(wú)法預測與為優(yōu)化器件所做的改變相關(guān)的現象。當今大多數功率器件不是橫向結構，而是垂直結構，它們使用多個(gè)摻雜層來(lái)處理大電場(chǎng)。柵極從平面型變?yōu)闇喜坌?，引入了更復雜的結構，如超級結，并極大地改變了MOSFET的行為?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/Spice模型">Spice模型中提供的簡(jiǎn)單器件結構沒(méi)有考慮所有這些非線(xiàn)性因素。

現在，通過(guò)引入物理和可擴展建模技術(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展仿真模型功能的相關(guān)內容。

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

物理和可擴展仿真模型所包含的值遠不止通過(guò)數據手冊參數或在幾乎理想的測量環(huán)境中獲得的數據手冊值。該模型可在規格限值內仿真所有條件下的所有值。在物理和可擴展仿真模型中還可以捕獲數據手冊中未提供的參數或曲線(xiàn)——可通過(guò)仿真獲取。大多數時(shí)候，只需運行一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真原理圖。

為舉例說(shuō)明物理和可擴展模型的強大功能，我們將比較通過(guò)仿真兩個(gè)超級結 MOSFET 模型（一個(gè)行為模型和一個(gè)物理和可擴展模型）獲得的輸出電容結果。這兩個(gè)超級結MOSFET性能相近（650V，導通電阻約為18mΩ）。首先，我們將仿真結果與測量數據疊加。

圖1. 行為模型輸出電容仿真結果

在上圖和下圖（分別為圖1和圖2）中，彩色曲線(xiàn)是通過(guò)仿真獲得的，而疊加的黑色曲線(xiàn)是基于器件規格的曲線(xiàn)。圖1來(lái)自競爭對手的模型，因為所有安森美超級結MOSFET模型都不是行為模型，而是物理和可擴展模型。行為模型無(wú)法捕捉到輸出電容近103的下降，這是所有超級結MOSFET固有的特性。

圖2. 物理和可擴展模型輸出電容仿真結果

接下來(lái)，為了比較用于獲得圖 1 和圖 2 的相同硅超級結 MOSFET 模型，我們這次使用相同的對數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果，如圖 3 所示。

圖3. 行為模型與物理和可擴展性模型的輸出電容仿真結果比較

假設我們想要使用半橋或全橋結構來(lái)仿真軟轉換或零電壓開(kāi)關(guān)應用。在轉換期間，我們認為電感電流恒定，這意味著(zhù)電感足夠大。

圖4. 行為模型與物理和可擴展性模型的輸出電容仿真結果比較

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

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

使用行為仿真模型，您會(huì )將諧振轉換所需的能量低估 10 倍——該誤差或錯誤可能導致需要全部重新設計應用的諧振回路和系統。

現在，您可以使用安森美物理和可擴展仿真模型，以出色的精度仿真零電壓開(kāi)關(guān)轉換。您將獲得轉換所需的實(shí)際能量，因為仿真模型捕獲了COSS在超過(guò)103倍變化率范圍的所有電容非線(xiàn)性。

物理和可擴展仿真模型功能

使用SIMetrix獲取內部節點(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(guò)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?？稍黾痈哌_10mΩ的串聯(lián)電阻。

為了量化這些影響，可以訪(fǎng)問(wèn)三引腳MOSFET的內部節點(diǎn)，如柵極、漏極和源極（參見(jiàn)圖5）。

圖5. 內部節點(diǎn)與外部節點(diǎn)

在極高速開(kāi)關(guān)中，柵極是硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)中最關(guān)鍵的信號。掌握MOSFET何時(shí)真正導通和關(guān)斷非常有必要。例如，它可以幫助設計人員在半橋結構中設置高壓側和低壓側開(kāi)關(guān)之間的延遲。

要訪(fǎng)問(wèn)內部節點(diǎn)，請查找器件和可用引腳名稱(chēng)。引腳標記末尾帶有“i”，表示“內部”。

在SIMetrix中，只需在仿真選項控制面板中選擇此功能，即可獲得內部節點(diǎn)電壓。然后，名稱(chēng)看上去類(lèi)似“Qn:xy:di”（例如）為內部漏極節點(diǎn)電壓。它直接是芯片級的電壓。我們現在可以測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。

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

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

淺色曲線(xiàn)是芯片漏極-芯片源極電壓，深色曲線(xiàn)是封裝漏極-封裝源極引腳電壓。

圖6. 導通時(shí)內部和外部漏極-源極電壓的差異

圖7. 關(guān)斷時(shí)內部和外部漏極-源極電壓的差異

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

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

淺色曲線(xiàn)是芯片柵極電壓，而深色曲線(xiàn)是封裝柵極引腳電壓。

我們來(lái)逐步查看當柵極電阻改變時(shí)會(huì )發(fā)生什么。當電阻大于10Ω時(shí)，外部和內部柵極電壓幾乎同時(shí)超出閾值（即，對于安森美SiC MOSFET為2V）。存在一個(gè)10ns以?xún)鹊难舆t。

當電阻小于等于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 )出現電壓尖峰和越來(lái)越多的振蕩，而內部柵極電壓相對平滑。

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

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

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

在圖9中，我們通過(guò)改變芯片設計和柵極流道，將內部柵極阻抗提高到接近5Ω，但是對于相同的封裝，我們通常會(huì )看到一個(gè)更長(cháng)的關(guān)斷時(shí)間，與預期相同。同時(shí)，柵極網(wǎng)絡(luò )的阻尼更大，外部柵極節點(diǎn)電壓上的振鈴更少。

圖9. 提高內部柵極阻抗時(shí)，內部和外部柵極-源極電壓的差異

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

然而，依賴(lài)外部柵極電壓波形來(lái)設置半橋或全橋架構中的開(kāi)關(guān)之間的延遲時(shí)，也會(huì )增加擊穿的風(fēng)險。

圖10. 柵極-源極電壓延遲

當外部電阻低于10Ω時(shí)，閾值交叉時(shí)間存在很大差異，如圖10所示。甚至內部柵極和外部柵極信號的過(guò)零和關(guān)斷閾值交叉也會(huì )發(fā)生在不同的時(shí)間。在半橋架構的情況下，MOSFET開(kāi)關(guān)相位不同或采用架構，我們可以測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 )導致另一側的MOSFET過(guò)早打開(kāi)，并造成嚴重擊穿。

同樣，獲取內部芯片電壓對于設置適當的延遲以避免高壓側和低壓側之間的交叉導通非常有幫助。

使用邊界模型

在線(xiàn)提供的模型使用工廠(chǎng)標稱(chēng)值生成和校準。它們給出了典型的數據手冊值。

但是，在現實(shí)中，由于制造中的工藝差異，參數值遵循高斯分布。

對于特定技術(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值變化的反應。

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

圖11. 邊界模型降壓級

圖12. SiC MOSFET 邊界模型的降壓級波形

圖12中的結果顯示SiC MOSFET中的電流非常不均衡。在導通時(shí)間內，開(kāi)關(guān)或SiC MOSFET中的電流分為30A、12A和7A，電感中的平均穩態(tài)電流為50A。流過(guò)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%。

我們現在還可以使用圖13和圖14分析導通和關(guān)斷細節。

圖13. 導通序列局部放大

導通時(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(jiàn)圖14）。

我們還可以看到，閾值電壓最高的SiC MOSFET的電流首先開(kāi)始下降，然后閾值電壓居中的SiC MOSFET的電流也開(kāi)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的導通變差，因為它們的整體柵極-源極電壓會(huì )略有增加。它們在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓負斜率期間再次導通，但僅占總電流的一小部分。

圖14. 關(guān)斷序列放大

圖15. 內部與外部柵極-源極電壓關(guān)斷序列局部放大

同樣，如果我們對內部和外部柵極-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。當開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓為負斜率時(shí)，外部柵極-源極電壓也會(huì )出現明顯的尖峰。在圖14中，在71.2 μs處的共用驅動(dòng)電壓上也可以看到這個(gè)尖峰。

我們可以對漏極-源極電壓與漏極電流的乘積進(jìn)行積分，根據積分周期（導通、關(guān)斷和導通時(shí)間）獲得開(kāi)關(guān)損耗能量或導通損耗功率。我們還可以計算同一乘積在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均值，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(guān)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。

當我們使用遲滯控制或自振蕩反饋時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率不是很穩定。這會(huì )導致每個(gè)周期的一些仿真和計算誤差。仿真精度和隨機變化的仿真時(shí)間步長(cháng)也會(huì )引起誤差——轉化為曲線(xiàn)上的某些噪聲。

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

每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的導通損耗（參見(jiàn)圖17）與每個(gè)SiC MOSFET中的導通電流保持一致。這并不令人意外。

對于導通能量，最低閾值SiC MOSFET的平均導通能量為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(guò)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?jì)H為90μJ。其中一個(gè)MOSFET與其他MOSFET的差異達到五倍。