傳統的硅功率晶體管在理論上已經被推到了極限。寬帶隙功率器件的緊湊模型對于分析和評估它們對電路和系統性能的影響是必要的。帶隙比硅的 1.1 eV 更寬的半導體已經超越了效率、密度和工作溫度方面的限制。阻斷電壓和 R _DS(on)之間的關系?取決于電壓擊穿值（SiC MOSFET 的帶隙值為 3.26 eV）。對于硅，導通電阻有一個下限，如圖 1 所示的等式所示。

圖 1：硅限制

該方程根據給定擊穿電壓的臨界電場表達了“硅極限”。

由于帶隙較大（2 MV/cm 對 0.5 MV/cm），SiC 中通過碰撞電離產生帶間電子空穴所需的能量比 Si 高得多。

這就是為什么基于 SiC 的轉換器比基于硅的轉換器更有效地用于更高電壓級別的原因。歷史上，硅 IGBT 器件在細分市場中一直占據主導地位，而 SiC MOSFET 是為具有中壓水平（即 2 至 10 kV）的應用而完美設計的。

此外，據觀察，與以效率和高功率密度著稱的 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 能夠以更快的速度執行開關操作。這些設備因用于海軍艦艇、儲能系統和高速鐵路運輸而聞名。

盡管如此，寬帶隙器件的極快開關和其他優越特性也對其應用提出了嚴峻挑戰。挑戰包括大于 100 V/ns 的 dV/dt 壓擺率和在整個轉換器中普遍存在的極高相應 di/dt 壓擺率、增強的電磁干擾發射、具有相應絕緣要求的高達數十千伏的單設備阻斷電壓、開關頻率在數百千赫到兆赫范圍內，結溫超過 200°C。

本文提及的是一款中壓 SiC MOSFET XHV-7，這是一款由 Cree Wolfspeed 制造的 6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊（圖 2）。該模型的批準是通過將模型產量與來自雙脈沖測試的觀察波形進行對比來執行的，這些波形來自工作條件范圍直至模塊評估的范圍。

本文是針對中壓 SiC MOSFET 模塊缺乏普遍可訪問的 SPICE 模型的潛在進展。

圖 2：6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊

中壓 SiC MOSFET 模型

在對半導體器件建模時，從行為分析到器件物理，基本上有三個抽象層次：

1. 行為的
2. 半物理
3. 物理

行為模型在不考慮其物理操作機制的情況下模擬功率器件，它們通常使用數學擬合方法實現。

使用半物理范例，標準低壓設備模型適用于解決高壓功率設備建模問題。因此，某些器件模型參數和方程的物理意義可能會丟失。

第三種模型類型基于半導體物理學；熱和電行為的描述是通過數值求解物理方程得出的。

通常，可以使用具有 Level 3 NMOS 器件核心的子電路對 SiC MOSFET 進行建模。

眾所周知，Level 3 NMOS 具有以下顯著優勢：

• 它在計算上是有效的。
• 它以其合理的準確性而聞名。
• 它具有在模擬中正確收斂的能力。

在 SiC MOSFET 模型中，CGS 使用線性電容器實現，以對 SiC MOSFET 的電壓相關電容進行建模，而行為電流源用于對偏置相關 CGD 和 CDS 元件進行建模，而無需大量計算開銷。

SPICE MOSFET 電平比較

第一代 SPICE 仿真程序使用的 MOSFET 模型可以分為三類：

1. 級別 1 為時序計算和低仿真時間提供了高準確度。也稱為 Schichman-Hodges 模型，級別 1 適用于柵極長度大于 10 μm 的器件。通道長度調制通過使用參數 L 建模。跨導用于考慮體偏置。Level 1 模型不包括載流子飽和效應、載流子遷移率退化或弱反轉模型。
2. 在級別 2 中，考慮了大量電荷效應。也稱為 Grove-Frohman 模型，假設閾值電壓恒定且僅隨襯底電壓變化，則不考慮短溝道效應。它用于柵極長度約為 10 μm 的器件。級別 2 修改漏極電流以包括由 λ 參數建模的通道長度調制。
3. 在 Level 3（經驗模型）中，精度與 Level 3 相似，但仿真時間較短，并且有較大的收斂趨勢。包括通過橫向場（如物理效應）引起的漏極引起的勢壘降低和遷移率降低。經驗模型適用于大約 2 μm 的柵極長度。

模型驗證

用于在中壓應用中執行 XHV-7 模型驗證的測試臺包括一個鉗位感性負載，以便在時域中生成波形。

表 1 顯示了用于重建 LT SPICE 模型的參數，特別是一個名為 RSHUNT 的電阻分流器，用于測量直流電流，其值為 2.5 mΩ。

參數 EPC 在 Efficient Power Conversion 給出的模型中定義。

表 1：Wolfspeed LT SPICE 參數

實驗裝置包括以下儀器：

• MS058 泰克八通道示波器
• TIVH05 泰克光電壓探頭 @ f = 500 MHz
• THDP0100 泰克 6-kV 差分探頭 @ f = 100 MHz
• T&M Research W-2-0025-4FC 25-mΩ 分流器 @ f = 400 MHz
• Pearson CT 型號 411 電流互感器 @ f = 20 MHz

實驗結果

3,600-V 總線電壓和 200-、400- 和 800-A 負載電流的實驗結果還表明，6.5-kV XHV-7 模塊和 6.5-kV 硅 IGBT 之間的開關損耗降低了 12倍（表 2）模塊在 25°C 的溫度下用于以毫焦耳為單位的開關能量要求。

表 2：XHV-7 模塊的開關損耗

五種不同工作條件的時域經驗預測（實線）和時域 LT SPICE 模型（虛線）之間的比較顯示出基本一致（圖 3）。

圖 3：經驗實驗數據與 LT SPICE 模型的比較

結論

對于能帶隙比硅更寬的半導體（例如碳化硅），到目前為止，我們還沒有專門構思 SPICE 模型。因此，我們需要一個實驗測試平臺來繪制 I _D與 V _{DS 的關系}圖。

根據實驗數據，我們在經驗模型和凌力爾特標準 PSPICE 實現之間得出了很大的一致性。

LT SPICE 仿真器中使用的合適模型可以通過從實驗設置中獲取的參數提取來推導出來。
　　審核編輯：湯梓紅