SiC MOSFET静态温度特性研究

以实际碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件为对象,首先测试了不同温度下的转移和输出特性,获取了温度对其阈值电压、跨导、导通电阻和内栅极电阻的影响规律,接着基于所得到的温度特性实验结果,建立了SiC MOSFET静态等效电路模型,最后对该模型进行了验证。结果表明,温度对SiC MOSFET静态特性及参数的影响较为明显,所建立的等效电路模型能正确反映SiC MOSFET的静态特性。     

基于PSpice的SiC MOSFET的关键参数建模

分析研究了SiC金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)各参数与其动、静态特性的内在关系,提出了一种基于PSpice的SiC MOSFET建模新方法。通过引入电压控制电压源对栅极阈值电压进行补偿修正,采用两种不同的结电容模型描述各端电压不同而带来的结电容的变化,并同时增加了MOSFET的漏源电阻、栅极电阻随温度变化的变温度子模型。新模型可全面准确反映SiC MOSFET的动、静态特性,为SiC MOSFET的开关过程分析、损耗计算及主电路设计提供了重要依据。     

SiC MOSFET功率器件特性参数的提取与拟合

为了对碳化硅(SiC) MOSFET功率器件的特性参数进行全面的研究,提出了一种碳化硅(SiC) MOSFET变温度参数模型,该模型考虑了功率器件中封装引脚寄生电感、内部寄生电容、体二极管等特性参数,并根据器件的开关过程中的不同阶段,将功率器件中的导电沟道等效为不同电路模型。为获取该模型中的涉及的特性参数,搭建了基于Agilent B1505A功率半导体分析仪和矢量网络分析仪(VNA)的测试平台对SiC MOSFET功率器件的静态特性参数进行了全面测量,然后使用基于贝叶斯正则化LM算法的改进BP人工神经网络对所测的数据进行非线性拟合。结果表明,相较于传统拟合方法,该方法具有更高的精确度与泛化能力,为SiC MOSFET功率器件建模与参数分析提供了重要依据。     

器件特性参数对SiC MOSFET静动态均流影响的实验研究

碳化硅(SiC)MOSFET作为第三代半导体器件,与硅IGBT相比在高频、高温、高压的工况下性能更加优异。然而在并联应用中,不同器件之间较大的特性参数差异会影响并联均流的动静态特性。现有的SiC MOSFET并联均流研究并没有全面地分析器件参数对并联均流产生的影响。因此,测试了30个器件在通态电阻、阈值电压、跨导和寄生电容上的差异并理论分析了不同特性参数对并联动静态均流所造成的影响,设计了SiC MOSFET并联均流实验的平台,且在排除电路参数以及测量系统可能引入的误差的条件下,针对不同器件参数的差异度进行实验,最后综合理论分析和实验结果,得出SiC MOSFET不同器件特性参数的差异度分别对静动态均流的影响以及这些影响的综合作用关系。     

换流回路的寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响

为有效评估换流回路的寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响,首先建立了考虑换流回路寄生参数的完整的碳化硅MOSFET开关暂态电路模型,该模型考虑了换流回路负载电感的寄生电容,并将换流回路的寄生电感分为二极管支路电感和其他串联电感两部分,基于所建立的模型分析了器件的开关特性。然后搭建了碳化硅MOSFET动态特性测试平台并提取了对应的等效电路计算模型,通过解析与计算模型的结合分析了换流回路各部分寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响。最后通过实验验证了分析结果的正确性。结果表明,在考虑负载电感寄生电容的情况下,换流回路中二极管支路电感与其他串联部分电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响不同,且二极管支路电感对关断电压过冲的影响更大。在此基础上,针对电压过冲与绝缘击穿问题,对高压碳化硅MOSFET动态特性测试平台的布局优化与寄生参数设计提出建议。     

考虑器件工作温度影响的Si C功率MOSFET建模

提出一种基于MATLAB/Simulink的SiC功率MOSFET全工作区变温度参数建模方法。在Si基横向双扩散MOSFET模型的基础上,采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值电压的变化。通过补充实验拓展SiC功率MOSFET的饱和区工作特性曲线,并根据Si C功率MOSFET的工作特性,采用数学拟合的方法来提取模型参数。在保留各个参数物理意义的同时,摆脱建模过程对物理参数的依赖。在不同电压、电流及温度(25~200℃)的情况下对器件的输出特性、转移特性、阈值电压、导通电阻及开关损耗进行测试,将测试结果与MATLAB/Simulink模型仿真结果进行性比较。模型仿真结果与实际测试结果一致,开关损耗误差在7%之内,验证了模型的准确性及有效性,为实际应用Si C功率MOSFET时系统性能及损耗分析提供参考依据。     

碳化硅MOSFET的变温度参数建模

为在全温度范围内准确反映碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET的工作特性,提出一种基于Pspice仿真软件的SiC MOSFET变温度参数模型。该模型中引入温控电压源和温控电流源以补偿SiC MOSFET静态特性随温度的变化,同时着重考虑了SiC MOSFET的低温特性和驱动电路负压的影响。详细阐述建模原理,分析各个关键参数对SiCMOSFET静态特性及动态特性的影响,给出建模原理。搭建基于Buck变换器的SiC MOSFET测试实验样机,在不同电压点、电流点及温度点(25-125℃)下进行实验测试,并将测试结果与基于变温度参数Pspice模型的仿真波形和损耗估算结果进行比较。比较结果高度吻合,功率损耗误差在10%以内,验证了提出的变温度参数模型的准确性和有效性,为实际应用中采用SiC MOSFET器件进行系统分析和效率评估提供了重要的依据。     

基于电致发光效应的非接触式碳化硅MOSFET结温在线检测方法研究

碳化硅(silicon carbide,SiC)金属半导体场效应管(metal semiconductor field effect transistor,MOSFET)以其优异的材料特性成为一种很有前景的高功率密度和效率的器件,其工作结温是评估器件运行可靠性的关键指标。文中提出一种基于SiC MOSFET体二极管电致发光效应的非接触式的在线结温检测方法。首先从理论角度分析SiC MOSFET体二极管电致发光的原理,并对电致发光的光谱特性进行研究,分析和比较可用于结温测量的3种温敏光参数。其次通过检测具备负温度系数的发光峰光强,并辅以对SiC MOSFET体二极管导通电流的检测,实现了结温的动态提取,检测分辨率达3.1mV/℃。并且在Buck电路中验证该方法的可行性,检测误差在±3℃以内。该方法基于SiC MOSFET体二极管的电致发光检测,具备固有电气隔离的特点,特别适用于高压应用场合下SiC MOSFET的非接触式结温检测。     

适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

为了基于PSpice电路对电动汽车DC/DC变换器中的碳化硅(SiC)MOSFET的工作特性进行实时准确地仿真,针对SiC MOSFET提出了一种新型的电压控制电流源型VCCST(voltage-controlled current source type)PSpice仿真模型。首先,为了获得SiC MOSFET准确的静态特性建立了电压控制电流源作为SiC MOSFET的内核,以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性;然后,为了获得SiC MOSFET准确的动态特性,建立了基于电压控制电流源与恒定电容的栅漏电容(CGD)子电路模型,所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在简化参数提取方法的同时,能够满足模型准确性的要求;最后,建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型应用于Boost变换器进行仿真和实验,并对SiC MOSFET的特性进行测试。测试结果验证了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的准确性和实时性,从而为SiC MOSFET在电动汽车DC/DC变换器中的设计和应用提供了便利。     

碳化硅MOSFET特征参数随温度变化的比较研究

通过对Cree公司三代SiC MOSFET样品在-160~200℃温度下进行测试,提取出每代器件在不同温度下的阈值电压、导通电阻等特征参数。分析比较了三代产品阈值电压、导通电阻随温度的变化趋势,以及不同温度下导通电阻与栅极电压的关系。运用建立物理模型的方法,对三代产品阈值电压、导通电阻各组成部分与温度的关系进行了比较研究。解释了SiC MOSFET的阈值电压的温度变化率随产品更新而逐代降低的原因,是栅极SiO₂/SiC界面存在的陷阱密度在逐代地下降。通过TCAD仿真拟合转移特性随温度的变化,验证了新产品的界面态密度的降低,同时佐证了SiC MOSFET的技术水平在近几年有显著提升。     

3 300V SiC SBD嵌入式MOSFET研制

研制了一种3 300 V 碳化硅（silicon carbide, SiC） 肖特基二极管（schottky barrier diodes,SBD）嵌入式金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistors,MOSFET）,即在传统MOSFET结构中集成一个由钛形成的肖特基接触。在芯片制造过程中,通过增加Ni退火后的表面处理工艺,使得栅源短路失效率降低约58%。研究发现,当二极管电流密度J_SD=100 A/cm²时,嵌入式二极管电压降V_SD（SBD）=2.1 V,寄生二极管的开启电压约为8 V,这说明嵌入式SBD可以抑制MOSFET寄生二极管开启,降低碳化硅MOSFET“双极退化”风险。另外,该芯片的阈值电压为3.05 V,比导通电阻和阻断电压分别为18.9 mΩ·cm²和3 955 V,在高压轨交市场具有广阔的应用前景。     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。     

Electronic model of a Ferroelectric Field Effect transistor

Abstract

A pair of electronic models has been developed of a Ferroelectric Field Effect transistor. These models can be used in standard electrical circuit simulation programs to simulate the main characteristics of the FFET. The models use the Schmitt trigger circuit as a basis for their design. One model uses bipolar junction transistors and one uses MOSFET's. Each model has the main characteristics of the FFET, which are the current hysterisis with different gate voltages and decay of the drain current when the gate voltage is off. The drain current from each model has similar values to an actual FFET that was measured experimentally. The input and output resistance in the models are also similar to that of the FFET. The models are valid for all frequencies below RF levels. Each model can be used to design circuits using FFET's with standard electrical simulation packages. These circuits can be used in designing non-volatile memory circuits and logic circuits and are compatible with all SPICE based circuit analysis programs. The models consist of only standard electrical components, such as BJT's, MOSFET's, diodes, resistors, and capacitors. Each model is compared to the experimental data measured from an actual FFET.     

三相四线制软开关SiC逆变器软开关工况分析

逆变电源的开关频率上限受到功率器件的动态损耗限制,导致较大的输出滤波元件的体积。零电压开关正弦脉宽调制(ZVS-SPWM)三相四线制逆变器电路只需引入1个辅助开关和2个较小的无源元件,就可以实现电路中所有开关器件的零电压开关。重点分析了SiC MOSFET寄生电容对零电压开关实现的影响,并在此基础上探讨了等效寄生电容值的提取方法,修正了零电压开关条件和功率器件电流、电压应力的计算值。最后在10 kW SiC MOSFET三相四线制零电压开关逆变器实验平台进行了验证。     

基于遗传算法的SiC MOSFET导通电阻模型

提出了一种简洁、新颖的SiC MOSFET器件导通电阻模型,该模型采用遗传算法对其不同温度下的导通电阻进行准确描述。相比于传统的导通电阻建模方案,采用进化算法可以准确地得到MOSFET导通电阻与结温之间的关系。并探究了不同种群规模、交叉率和变异率对算法的影响。为了验证模型的准确性,采用一款自主封装的1 200 V/90 A SiC MOSFET模块去验证模型的静态特性,并与传统导通电阻建模方案进行对比,其最大误差为4.1%。     

Voltage distribution analysis of 500-kV DC transmission-line voltage divider under impulse voltages: stray parameter extraction

It is essential to extract the stray parameters accurately and efficiently in analyzing impulse responses of a power apparatus. In this paper the stray capacitances and stray inductances of a 500-kV dc transmission-line voltage divider are extracted by the hybrid finite element-analytical approach, and the corresponding equivalent circuit for analyzing the impulse voltage response of the voltage divider is established. According to the discussion of the results of the extracted stray parameters of the voltage divider, reasonable simplification of the equivalent circuit of the voltage divider is made. In addition, the influence of the insulating housing and the electrical insulation oil on the stray capacitances of the voltage divider is discussed.     

牵引变流器中6 500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用。通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义。针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分考虑其静态特性、动态特性以及封装寄生参数影响,结合寄生参数提取矩量法和IGBT动态模型等效电路分析法,建立了精确的IGBT封装电路模型,并通过仿真测试分析对模型进行了验证。此外,以牵引变流器中的整流器电路为例,依据IGBT封装精确电路,构建了更为详细的整流器精确电路模型。仿真结果表明,精确电路模型比理想电路仿真输出能够更加准确地突出系统的高频信息,这对于针对含有大功率IGBT器件系统开展损耗计算、电磁兼容性分析以及风险评估等极具参考价值。     

SiC超结MOSFET的短路特性研究

SiC超结MOSFET设计基于N/P柱的电荷补偿效应,在保证耐压的同时具有较低的导通损耗和更快的开关速度,因此对SiC超结MOSFET可靠性的分析研究有助于深入理解器件工作机理,为更好地应用提供必要的理论支撑。基于TCAD Sentaurus模拟软件,对1 200 V电压等级的传统SiC MOSFET结构和SiC超结 MOSFET结构进行建模。首先对比了2种器件的基本电学参数,然后重点分析了短路特性差异,在相同短路条件下对器件内部的物理机理进行了分析。结果表明SiC超结 MOSFET可以有效地提高器件的击穿电压和导通电阻,同时表现出更好的短路可靠性。进一步分析了不同的偏置电压下SiC超结 MOSFET的短路特性,结果表明,随着外部施加偏置电压增加,器件的短路耐受时间减小,同时短路饱和电流也会相应增大。