《電子技術(shù)應(yīng)用》
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功率場效應(yīng)管高頻建模方法
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
張智娟,左玉梅
(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 河北 保定 071003)
摘要: 開關(guān)器件在開通和關(guān)斷暫態(tài)過程中產(chǎn)生的高電壓和電流變化是電磁干擾(EMI)的主要來源。準(zhǔn)確的EMI預(yù)測需要對功率器件開關(guān)瞬間的動態(tài)行為進(jìn)行精確地描述,。首先介紹了兩種常見的功率場效應(yīng)管的建模方法,、子電路模型和集總電荷模型。然后提出利用Saber建模工具M(jìn)odel Architect對功率場效應(yīng)管進(jìn)行建模,。最后利用Saber 軟件建立逆變器電路模型進(jìn)行仿真對比,得到了功率場效應(yīng)管的開關(guān)波形和電路的傳導(dǎo)干擾波形。仿真的結(jié)果顯示,,用Saber中Model Architect建模工具所建的模型能夠反映較為實(shí)際的情況,相對準(zhǔn)確地預(yù)測電路中的電磁干擾,。
中圖分類號: TN386.2
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.032

中文引用格式: 張智娟,,左玉梅. 功率場效應(yīng)管高頻建模方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,,41(10):119-122.
英文引用格式: Zhang Zhijuan,,Zuo Yumei. High frequency modeling methods of power MOSFET[J].Application of Electronic Technique,2015,,41(10):119-122.
High frequency modeling methods of power MOSFET
Zhang Zhijuan,,Zuo Yumei
School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China
Abstract: The major EMI source of the power converter is the changes of high voltage and current during the switching transient. An accurate prediction of EMI needs the precise description of the switching transient. First, two common used power MOSFET models, the sub circuit model and the lumped charge model are described. Then the power MOSFET is modeled by the model architect. Finally by using the Saber software,,inverter circuit simulation model is proposed to build, the switching waveforms of power MOSFET and the simulation waveforms of the conducted EMI are obtained. It is shown that the model built by model architect tools can reflect the real situation and more accurately predict electromagnetic interference in the circuit.
Key words : MOSFET,;modeling;electrode capacitance,;Model Architect

 

0 引言

  隨著電力電子不斷向高頻化,、小型化方向發(fā)展,具有高頻特性好,、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的場效應(yīng)管(MOSFET)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域中的實(shí)用器件,。但高頻化導(dǎo)致了器件所承受的電應(yīng)力和開關(guān)損耗的增加,不可避免地會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)[1],。為了預(yù)測和減小電磁干擾的影響,,需要建立準(zhǔn)確的電路傳導(dǎo)EMI的高頻模型來進(jìn)行仿真,然而現(xiàn)有的電路仿真軟件庫中雖然有著豐富的場效應(yīng)管的模型,,但在高頻工作狀態(tài)下不夠準(zhǔn)確會導(dǎo)致仿真結(jié)果的誤差,,無法用于傳導(dǎo)EMI仿真的現(xiàn)狀。因此,,研究和掌握功率場效應(yīng)管的高頻建模方法變得尤為重要,。

1 常見的功率場效應(yīng)管建模方法

  由于結(jié)構(gòu)和工藝的原因,功率MOSFET存在寄生的極間電容,包括柵漏電容Cgd,、柵源電容Cgs和漏源電容Cds,,而功率MOSFET中決定其開關(guān)波形的是這3個(gè)非線性極間電容[2]。因此,,建立精確的功率MOSFET高頻模型,,關(guān)鍵在于正確描述這3個(gè)極間電容特性來模擬其開關(guān)波形。目前常見的功率MOSFET建模方法主要有子電路模型和集總電荷模型,。

  1.1 子電路模型


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  子電路模型以小信號LDMOS為基礎(chǔ),,在外圍增加反映功率VDMOS動態(tài)特性的非線性極間電容和反偏二極管來模擬功率MOSFET[3]。圖1所示是saber中兩種典型的功率MOSFET子電路模型mpvl和mpv2,。圖1(a)模型中的一個(gè)關(guān)鍵因素是可變電容器Cgdp,,連接在柵極和漏極之間,用來描述處于耗盡狀態(tài)的柵漏電容,;Cgd則描述處于積累狀態(tài)的柵漏電容,;柵源電容用常電容Cgs來描述;反偏的二極管D用來描述漏源電容,。圖1(b)中的模型比圖1(a)中的有所改進(jìn),,模板中的關(guān)鍵因素是可變電容Cgd和Cgs,分別為柵漏和柵源間的非線性電容,。和mpv1比主要的變化是增加了Cgs這個(gè)描述其積累狀態(tài)的變量,。非線性電容Cgd對應(yīng)的是圖1(a)中的Cgdp,描述的是處于耗盡狀態(tài)的柵漏電容,。

  1.2 集總電荷模型


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  集總電荷的功率MOSFET模型是將功率MOSFET各區(qū)的載流子用集總電荷來表示,,并分階段描述功率MOSFET各工作狀態(tài)下的集總電荷方程,從而得到能夠同時(shí)反映功率MOSFET靜動態(tài)特性的模型,。當(dāng)考慮到功率場效應(yīng)管整個(gè)開關(guān)過程,,包含了各工作狀態(tài)的MOSFET集總電荷模型如圖2所示[4]。產(chǎn)生柵極電容的電荷qaB,、qdB和qiB 集中在集總電荷節(jié)點(diǎn)1處,。同時(shí),電荷qiB決定了電流Id的電導(dǎo)系數(shù),,還有飽和和非飽和區(qū)域的靜態(tài)特性,。漏源間的體二極管使用的是包含反向恢復(fù)的Lauritzen-Ma模型來建模。開關(guān)S1表示當(dāng)漏極發(fā)生反型時(shí)體區(qū)和漏極表面的連接,。開關(guān)S2表示場效應(yīng)管從截止區(qū)過渡到飽和區(qū),。

  比較這兩種建模方法,集總電荷方法能獲得連續(xù)的非線性極間電容模型和較好的精度,,但運(yùn)算速度比子電路模型慢,,計(jì)算效率和魯棒性較差,。子電路方法建模容易構(gòu)造,,運(yùn)算速度和魯棒性都較好,,但現(xiàn)有的這些模型在器件工作在高頻狀態(tài)時(shí)對極間電容影響方面的研究不夠[5]。鑒于以上分析考慮,,采用Saber 軟件自帶的建模工具M(jìn)odel Architect對功率場效應(yīng)管進(jìn)行建模,。

2 Model Architect功率場效應(yīng)管建模方法


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  相比以上建模方法,Model Architect 利用器件技術(shù)手冊提取相關(guān)特性曲線,,采用自帶模型原理進(jìn)行擬合實(shí)現(xiàn)對器件的建模,。功率場效應(yīng)管模型如圖3所示,包括MOSFET一級模型結(jié)構(gòu),、寄生電容,、體二極管以及引線電感。主要包括I-V特性曲線,、極間電容和體二極管的建模方法,。

  2.1 I-V特性曲線建模

  I-V特性曲線可通過技術(shù)手冊或?qū)嶒?yàn)測得,其中包括Id-Vgs曲線與固定Vgs下Id-Vds曲線,,前者展現(xiàn)了MOSFET隨柵壓升高而開通的過程,,后者則展現(xiàn)了其3個(gè)特性區(qū)域的過程。將所得曲線經(jīng)過繪制后可直接輸入saber軟件中進(jìn)行曲線擬合,,如圖4所示,。

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  2.2 極間電容建模

  MOSFET極間電容被結(jié)合起來反映對驅(qū)動源和負(fù)載的容抗。這些合成電容是:反饋電容Crss=Cgd,、共源極輸入電容Ciss=Cgd+Cgs及共源極輸出電容Coss=Cgd+Cds,。模型中,極間電容的模擬采取三段式分段線性化,,電容通常會在某區(qū)間斜率較大而其余區(qū)間平緩,。因此需要對數(shù)據(jù)尋找到兩個(gè)斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn),將曲線分成三段進(jìn)行擬合,。通過技術(shù)手冊讀取這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)據(jù)后,,即可輸入Saber中進(jìn)行建模,如圖5所示,。

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  2.3 體二極管建模

  Model Architect中的二極管模型是一種基于電荷控制的集總參數(shù)模型,,能夠反映二極管的反向恢復(fù)等特性,物理意義明確,。并且擁有曲線擬合功能,,可以對模型實(shí)測曲線進(jìn)行擬合,適合于快速建模預(yù)測EMI情況的需求,。二極管模型如圖6所示,,Ls是引線電感,、Rs是二極管導(dǎo)通電阻,D為二極管,,Cj是功率二極管雜散電容,,Qrr是利用電荷存儲效應(yīng)原理來描述功率二極管反向恢復(fù)的特性。

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  在Model Architect中,,二極管的建模過程分為三部分:I-V特性建模,、結(jié)電容建模以及反向恢復(fù)特性建模。利用Model Architect-Diode Tool 提取技術(shù)手冊上正向I-V特性曲線來描述二極管的開關(guān)特性,,提取電容特性曲線來描述Cj,,提取反向恢復(fù)電流曲線來描述Qrr,如圖7所示,。

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3 功率場效應(yīng)管模型特性驗(yàn)證


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  為了驗(yàn)證上述所提出的建模方法,,分別用mpv2模型和Model Architect建的MOSFET模型搭建逆變器電路來進(jìn)行仿真對比。電路原理圖如圖8所示,,電路的輸入電壓為50 V直流電,,工作頻率為1 MHz,得到的輸出電壓為±50 V的方波,。在Saber中執(zhí)行DC和瞬態(tài)分析,,得到MOSFET的開關(guān)波形如圖9和圖10所示。

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  比較結(jié)果可以看出,,子電路模型mpv2在開關(guān)過程中波形較平穩(wěn),,沒有出現(xiàn)前后沿很陡的脈沖,表示該模型對高頻情況考慮不足,,造成了一定的誤差,。而利用Model Architect工具建立的MOSFET模型的仿真波形可以明顯的觀察出Vds在關(guān)斷時(shí)的沖擊,較好地模擬出了功率場效應(yīng)管的開關(guān)波形,,能夠更好的用于預(yù)估電路中的EMI,。

  由以上分析可知,MOSFET在高頻工作模式下開關(guān)過程中電壓和電流變化率很高,,造成了開關(guān)波形的畸變,,這也是電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原因之一。通過 saber 時(shí)域仿真獲得傳導(dǎo)干擾噪聲電壓波形,,對該電壓波形進(jìn)行FFT變換獲得傳導(dǎo)EMI的仿真結(jié)果,,如圖11和圖12所示。

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  由兩圖對比可知,,mpv2模型與實(shí)際器件的參數(shù)有一定偏差,不能準(zhǔn)確地描述電路的實(shí)際性能,,所得傳導(dǎo)干擾頻譜較為理想。采用Model Architect所建模型電路的噪聲相比圖11更為明顯,,能夠相對準(zhǔn)確地描述實(shí)際硬件電路的傳導(dǎo)干擾,。

4 結(jié)論

  本文首先分析了兩種常見的功率場效應(yīng)管建模方法,,提出了在高頻工作狀態(tài)下可使用Model Architect對MOSFET進(jìn)行建模,并搭建了逆變器電路進(jìn)行仿真,。仿真結(jié)果表明Model Architect創(chuàng)建的功率場效應(yīng)管模型能夠與實(shí)際器件的特性相符,,能夠滿足研究傳導(dǎo)EMI快速建模精確仿真的要求。

參考文獻(xiàn)

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