一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法，所述方法利用双脉冲测试电路来进行分析，分析MOSFET开关过程中的漏极电流、漏源极电压和栅源极电压的变化趋势以及它们之间相互的关系，具体步骤包括碳化硅MOSFET开通过程、碳化硅MOSFET关断过程、非线性电容建模步骤和线性连续的空间状态方程离散化。碳化硅MOSFET的开关特性与系统的整体性能有着非常密切的关系，因此，通过本发明专利技术提出的碳化硅MOSFET开关过程分析方法，并在此基础上研究分析了碳化硅MOSFET的开关特性及其影响因素。析了碳化硅MOSFET的开关特性及其影响因素。析了碳化硅MOSFET的开关特性及其影响因素。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法


[0001]本专利技术涉及碳化硅MOSFET
，具体涉及一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法。

技术介绍

[0002]由于碳化硅和硅在材料特性方面的不同，碳化硅MOSFET与传统的硅基功率开关器件在开关特性方面存在很大的差异。在过去的几十年，碳化硅器件的制备技术取得了重大的突破，碳化硅MOSFET和碳化硅二极管已经实现了商业化。精确的碳化硅MOSFET模型对于器件性能评估、系统设计和功率转换器行为预测进而缩短碳化硅MOSFET应用开发的周期必不可少，建立碳化硅MOSFET的模型成为了学术界关注的热点。
[0003]建立碳化硅MOSFET模型的根本目的是建立MOSFET漏源极电压和漏极电流以及系统相关参数之间的函数关系，进而实现对碳化硅MOSFET漏源极电压和漏极电流在开关过程中变化趋势的预测。为了建立碳化硅MOSFET的开关行为模型，首先需要获得实际系统中各个参数之间的关系。同时在建立模型时需要考虑模型精确度和计算复杂度，往往模型越简单其运算速度也越快，但这类模型无法精确地再现开关过程中各个参量之间的物理关系，而对于复杂度更高的模型，其仿真结果更接近实验的结果，但是复杂模型的仿真时间也越长。因此在建模之前需要设计者在精确度需求和计算速度需求之间做折中的选择。
[0004]根据建立碳化硅MOSFET模型所使用的方法，可以将现有的MOSFET模型分为五个不同的类型：数值模型、半数值模型、物理模型、半物理模型和行为模型。
[0005]1)数值模型：利用SILVACO、Sentaurus TCAD和MEDICI等数学仿真工具基于二维数值模拟得到器件的数值模型。数值模型能够提供非常精确的结果，但是这类模型很复杂且计算量很大，并且需要使用人员提供详细的材料属性资料和器件的几何信息，这对非相关专业的使用者来说是一个巨大的障碍。
[0006]2)物理模型：物理模型是基于半导体物理学，通过求解简化的物理学等式来描述器件在工作过程中的电气行为和热行为。
[0007]3)半数值模型：半数值模型介于物理模型和数值模型之间。例如，对于一些功率器件，尤其是双极性功率器件，器件不同区域的载流子分布状况由双极性扩散方程决定。双极性扩散方程的解是利用傅里叶级数和拉普拉斯变换等数学方法获得，进而通过模型计算得到空间的载体分布。
[0008]4)行为模型：行为模型不需要考虑器件内部的物理关系，并且行为模型通常使用的是数学拟合方法来实现。行为模型的相关的参数一般没有直接的物理意义。而行为模型具有简单并且耗时较少的优点，相对于其他模型，行为模型的精确度不够高。
[0009]5)半物理模型：半物理模型部分基于物理模型。半物理模型通常使用SPICE和SABER等电路仿真工具进行建模，由于在SPICE和SABER等工具中存在可以使用的MOSFET模型，但是这些模型并不能够完全达到使用者的要求，因此使用者可以在此基础上添加所需的元件。该类模型综合了行为模型和物理模型的优点，但是该类模型需要借助一定的电路
仿真工具。在实际的应用中，使用者通常基于不同的建模目的使用行为模型，半物理模型和物理模型三种建模方法。
[0010]现有技术中有人提出了一种行为模型用于模拟碳化硅MOSFET在开关过程中的动态特性，该模型由一个漏源极电阻和三个恒定值的极间电容构成。其中，随着栅源极电压的增大，漏源极电阻的阻值从无穷大减小到一个很小的定值。同时，该模型中考虑了系统中的寄生电感对开关过程的影响，但是该模型没有考虑系统极间电容的非线性特性。

技术实现思路

[0011]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法，解决了上述
技术介绍
中提到的问题。
[0012]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法，所述方法利用双脉冲测试电路来进行分析，分析MOSFET开关过程中的漏极电流、漏源极电压和栅源极电压的变化趋势以及它们之间相互的关系，具体步骤包括碳化硅MOSFET开通过程、碳化硅MOSFET关断过程、非线性电容建模步骤和线性连续的空间状态方程离散化。
[0013]优选的，所述的碳化硅MOSFET开通过程包括开通延时阶段、漏极电流上升阶段、漏源极电压下降阶段和栅源极电压上升阶段。
[0014]优选的，所述的碳化硅MOSFET关断过程包括关断延迟阶段、漏源极电压上升阶段、漏极电流下降阶段和栅源极电压下降阶段。
[0015]优选的，所述的非线性电容建模步骤具体是根据碳化硅MOSFET C3M0120090D的寄生电容值和碳化硅肖特基二极管CVFD20065A上的数据利用曲线拟合的方法提取非线性电容值，拟合函数表示为：
[0016][0017]其中，C
lv
和C
hv
为在电压最小和最大时电容的值。
[0018]优选的，所述的碳化硅MOSFET开通过程中开通延时阶段具体是：在开通延时阶段，续流二极管处于正向导通状态，续流二极管的结电容被短路，由于肖特基二极管的导通压降非常小，设定续流二极管导通时两端的压降几乎为零，因此，V
ds
＝V
dd
保持不变，同时，由于在该阶段V
gs
的值小于V
th
，MOSFET沟道处于关断状态，当栅源极电压V
gs
大于V
th
时，MOSFET的逐渐开通，开通延迟阶段结束；
[0019]所述的漏极电流上升阶段为：该阶段MOSFET沟道逐渐导通，其中沟道电流I
ch
与V
gs
的关系如下：
[0020][0021]其中，P＝(g
m2
‑
g
m1
)(V
th1
‑
V
th
)，MOSFET的漏极和源极均存在寄生电感，在电流上升阶段会使得漏源极电压发生变化，当负载电流I
dd
全部从续流二极管转移到MOSFET之后，电流上升阶段结束；
[0022]所述的漏源极电压下降阶段为：当负载中的电流I
dd
全部从续流二极管中转移到
MOSFET以后，续流二极管处于关断状态，二极管的寄生电容C
sk
开始充电。同时，MOSFET漏源极电压V
ds
开始下降，直到MOSFET完全开通，关系式表达如下：
[0023][0024][0025]漏源极电压Vds下降到V
F
之后，电压下降阶段结束，此时MOSFET已经完全开通；
[0026]所述的栅源极电压上升阶段为：在该阶段MOSFET完全导通，同时由于MOSFET回路中有寄生的电容和电感，因此漏极电流I
d
和V
ds
会在电容和电感之间相互作用下在稳定值附近振荡，直到这些储能元件中的能量逐步在电阻中消耗完，电路会达到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅MOSFET开关过程分析方法，其特征在于，所述方法利用双脉冲测试电路来进行分析，分析MOSFET开关过程中的漏极电流、漏源极电压和栅源极电压的变化趋势以及它们之间相互的关系，具体步骤包括碳化硅MOSFET开通过程、碳化硅MOSFET关断过程、非线性电容建模步骤和线性连续的空间状态方程离散化。2.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET开关过程分析方法，其特征在于：所述的碳化硅MOSFET开通过程包括开通延时阶段、漏极电流上升阶段、漏源极电压下降阶段和栅源极电压上升阶段。3.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET开关过程分析方法，其特征在于：所述的碳化硅MOSFET关断过程包括关断延迟阶段、漏源极电压上升阶段、漏极电流下降阶段和栅源极电压下降阶段。4.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET开关过程分析方法，其特征在于：所述的非线性电容建模步骤具体是根据碳化硅MOSFETC3M0120090D的寄生电容值和碳化硅肖特基二极管CVFD20065A上的数据利用曲线拟合的方法提取非线性电容值，拟合函数表示为：其中，C
lv
和C
hv
为在电压最小和最大时电容的值。5.根据权利要求2所述的碳化硅MOSFET开关过程分析方法，其特征在于：所述的碳化硅MOSFET开通过程中开通延时阶段具体是：在开通延时阶段，续流二极管处于正向导通状态，续流二极管的结电容被短路，由于肖特基二极管的导通压降非常小，设定续流二极管导通时两端的压降几乎为零，因此，V
ds
＝V
dd
保持不变，同时，由于在该阶段V
gs
的值小于V
th
，MOSFET沟道处于关断状态，当栅源极电压V
gs
大于V
th
时，MOSFET的逐渐开通，开通延迟阶段结束；所述的漏极电流上升阶段为：该阶段MOSFET沟道逐渐导通，其中沟道电流I
ch
与V
gs
的关系如下：其中，P＝(g
m2
‑
g
m1
)(V
th1
‑
V
th
)，MOSFET的漏极和源极均存在寄生电感，在电流上升阶段会使得漏源极电压发生变化，当负载电流I
dd
全部从续流二极管转移到MOSFET之后，电流上升阶段结束；所述的漏源极电压下降阶段为：当负载中的电流I
dd
全部从续流二极管中转移到MOSFET以后，续流二极管处于关断状态，二极管的寄生电容C
sk
开始充电。同时，MOSFET漏源极电压V

【专利技术属性】
技术研发人员：李辉，钟其水，董明海，吴瀛喆，
申请(专利权)人：电子科技大学广东电子信息工程研究院，
类型：发明
国别省市：