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基于MATLAB/simulink的SiC功率MOSFET模型

保罗 贾马泰奥，康斯蒂娜 布切拉，卡洛 切卡蒂

摘要

电力变换器的仿真和快速成型需要所有无源元件和有源元件的精确模型，这些模型考虑到最重要的物理参数，而不仅仅是电量。它们的可用性是验证完整系统的预期行为的基础，包括不生成任何原型的控制算法。为此，由于Simulink在复杂系统仿真中的广泛应用，本文试图研究典型碳化硅功率MOSFET的主要特性，并提出它的Simulink模型。该器件的静态和动态特性用电压源和电流源来描述，这些电压源和电流源的表现取决于温度值。开关功率损耗考虑其等效电路中引入寄生电容，从而获得器件的动态特性。所提出的模型已经在一个包括五电平级联逆变器并且使用一个典型4H-SiC MOSFET（1200V，20A）的说明性例子中得到了验证。版权copy;2014Praise Worthy Prize S.r.l.-保留所有权利。

关键词：碳化硅，器件特性，器件建模，器件仿真，MOSFET，损耗，功率变换器

命名

I.介绍

高功率变换器被广泛用于许多领域包括工业、交通运输、石油和天然气，照明，家用电器。此外，它们在分布式能源资源（德尔斯）的充分开发及其集成网络中是很重要的；他们在保证高功率因数和实现电能质量网络稳定要求也很重要[ 1 ]，[ 2 ]，[ 3 ]。

现代系统必须能够处理有功功率和无功功率要求，通常在高频下工作，并且总是以最低可能的值维持开关和导通损耗。以往需求的实现使得包括输出功率器件在内的所有部件都需要改进。

新兴的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术[ 4 ]，由于其新的性能水平，特别是它们在高温、频率和电压下工作的能力[ 5 ]，[ 6 ]，受到广泛关注。

文章[ 7 ]描述了在无源，集成驱动电路、保护电路和电子封装的互补技术发展概况。文章[ 8 ]介绍了在250°C结温下工作的碳化硅MOSFET三相ac–dc–ac变换器的研制和实验性能。详细讨论了电磁干扰滤波器、热系统、高温封装和栅极驱动设计。

目前，SiC器件被认为是电力电子器件中的佼佼者，由于他们非常强大并且即使工作在高频率（gt;20kHz）、高压（＞10kV）和高温（＞100°C）的条件下，依旧能稳定运行[ 9 ]，但直到现在他们的推广是十分有限的，归因于他们的高成本和更复杂的驱动电路。

特别是在传统硅半导体受到严重局限性的影响的应用领域中，比如混合动力和全电动汽车，储能装置，可再生能源和工业驱动器的逆变器，电源，油气工业和那些工作在高温的高功率领域或高要求的开关操作，SiC器件表现出广阔的发展空间。作为更好的电/热性能的结果，它们的使用使得电子部件和散热片显著减少。

这种特性在变换器尺寸是关键问题的应用中，例如在航空电子设备或汽车[ 10 ]，也有显著的优势。目前，一个重大的缺点是它们的成本，通常比具有类似输出特性的Si器件高5-10倍，但随着技术的改进和应用程序的增加，预计其成本将很快地减少 [11]。

有多篇关于SiC器件的文章：文章[ 5 ]提出了一种主备碳化硅器件中引入一些适用大多数SiC器件的驱动电路发展的指南的观点，文章[ 12 ]介绍了10kW的高功率密度三相交流-直流-交流变换器，采用SiC JFET和SiC肖特基二极管来降低开关损耗，实现高的工作温度；文章[ 11 ]表明，因为SiC器件的低损耗，高频率和高温性能，在风力发电系统的应用中提高了整体效率，提供更大的输出功率，减少体积和成本。

文章[ 13 ]提出了一种用MATLAB/Simulink实现的碳化硅双极结晶体管的物理模型，并通过实验验证了其有效性。在文章[ 14 ]，CREE CMF20120D SiC MOSFETs 的实验结果表明，与传统的栅极驱动比较，在不同运行条件下提出的两门辅助电路能提高开关性能。在文[ 15 ]基于MOSFET的栅极缓冲在2micro;M 4HSiC工艺中实现了。本文演示了完全集成的SiC栅极驱动器的潜力，并确定和解决了一些SIC集成电路设计师提出的限制因素。

从以往的分析来看，碳化硅MOSFET越来越受到人们的关注，由于其特性与传统的硅器件有很大的不同，因此研究者们越来越关注实际的设计问题。

另一方面，功率变换器的仿真一种常见的做法来避免在应用的实现中出现上文提到的问题，因此，本文的目的是提出发展现状，模拟和一个完整的MATLAB／SIMULINK典型4HSiC MOSFET模型的验证。在下面，将进行全面研究组件的物理特性，并开发了一个完整的Simulink模型。为了给研究结果带来实际意义和验证，商用设备已进行测试，即1200V-20a SiC MOSFET，Cree CMF20120D [16]。

该组件经常用于基于SIC技术的变流器设计。在作者看来，一些论文报告使用电路模拟软件，如SPICE [ 17 ]来进行SiC器件建模，到现在为止，还没有人使用MATLAB / Simulink提出了精确的碳化硅模型开发的。该模型的关联性是Simulinkreg;广泛地分布在工业界和学术界对复杂的变换器拓扑结构的全集成实现系统级仿真（如多级或模块化变换器）使用含SiC器件的大量设备，进行控制和电路分析的调制算法。

其他可用的软件工具不像Simulink那么简单和强大。虽然保留以前的特性，所建议的Simulink模块比其他模型更准确，例如[ 18 ]；事实上，一些参数是通过对数据表数量的拟合程序提取的。模型的验证是通过对模拟得到的I-V特性曲线与制造商提供的进行比较[ 16 ]。在漏源电压值的使用范围内观察到了很好的一致性。值得注意的是，同一模型适用于其他SiC MOSFET。一个五电平级联逆变器的仿真模型也被认为是该模型的应用实例和仿真结果。

II.碳化硅与硅的性能

碳化硅比单硅具有更高的热导率、更高的击穿电压、更宽的带隙和更高的饱和速度[ 9 ]，[ 19 ]。

在以往文章中提到了，在给定电压的条件下对Si 组件比较，具有少数载流体的SiC 器件在开关速度中增加了100因子；那些具有多数载流体的SiC 器件在强度中提高了100。

因为这一原因，许多研究预期如果其具有更低的成本， SiC技术将会在电力电子市场得到推广。表格1概括和强调了Si 和 SiC材料的主要电气和物理性能。

III.数学模型

III.1.直流静态特性

由于其漏电流对漏源极电压（Id -VdS）特性的非线性行为及对许多电气量的温度依赖性，使N沟道的SiC MOSFET建模复杂。

最重要的两个参数：阈值电压 V th和电子迁移率micro;[ 20 ]都强烈依赖于温度。阈值电压v可以表示为[ 21 ]：

（1）

其中：

是平带电压，V it 是SiC/SiO 2 的界面缺陷电压，是反转电位。条件，，

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