郝夏斐，潘三博

（安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

碳化硅功率場效應(yīng)功率晶體管仿真模型及其驅(qū)動研究

郝夏斐，潘三博

（安陽師范學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

碳化硅半導(dǎo)體器件具有耐壓高、通態(tài)電阻低、漏電流小、開關(guān)速度高、電流密度高、耐高溫等優(yōu)點，這決定了它在高溫、高頻率、高功率的應(yīng)用場合是理想的下一代電力電子器件[1]。近年來，國內(nèi)外對碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管在高性能電力電子裝置的應(yīng)用開始了探索性的研究[2,3]。本文從功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過對靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)的測量，計算出器件耗盡層寬度等半導(dǎo)體參數(shù)，建立了碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的仿真模型。通過器件高速開關(guān)瞬態(tài)時的電路模型的仿真分析，分析了器件開關(guān)速度、通態(tài)特性、開關(guān)瞬間的驅(qū)動電路震蕩、高速開關(guān)時dv/dt所產(chǎn)生的較大容性電流對驅(qū)動電路影響，建立了器件驅(qū)動電路模型。仿真結(jié)果驗證了驅(qū)動電路的有效性。

1 碳化硅器件及驅(qū)動電路模型

如圖1所示為碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，器件由2個歐姆接觸的一條導(dǎo)電溝道組成，另外一個電極，柵極，通過改變耗盡層的寬度來控制溝道。

器件的主要尺寸是溝道長度WG，耗盡層寬度W。該器件是常通型器件，在常態(tài)下柵源電壓為零時導(dǎo)通，柵源極之間需要需要負(fù)壓使得導(dǎo)電溝道關(guān)斷。

圖1 碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管結(jié)構(gòu)圖

采用緩變溝道近似理論等半導(dǎo)體器件分析的一般簡化分析，設(shè)定：1）載流子的移動速度保持恒定。2）在柵結(jié)勢壘中主要是垂直溝道的電場的作用, 而沿著溝道方向的電場很弱，溝道寬度沿著溝道方向基本上不變或緩變。3）在溝道中主要是溝道方向的電場的作用,溝道寬度沿著溝道方向是緩變的。

設(shè)Vgs為柵源電壓，Vds為漏源電壓，Ids為漏源電流，Vbi為勢壘電壓，q為電子電量， Vp為 溝道夾斷電壓，Vc(x)為通道電勢，ε為導(dǎo)電常數(shù)，Nd為襯底摻雜密度。G0是擴(kuò)展系數(shù)。

由設(shè)定2）知，柵結(jié)勢壘寬度只受到垂直溝道的電場的控制，求解泊松方程即可得到耗盡層寬度

由設(shè)定3）知，溝道電流Id主要是受到溝道方向電場的控制。

器件開通前，即

1.1 器件的靜態(tài)特性

器件的導(dǎo)通電阻Ron是非常重要的一個參數(shù)，它反應(yīng)了器件的通態(tài)損耗的大小。它包括源極接觸電阻Rcs，源極電阻RN+，漏極接觸電阻RCD，溝道電阻Rd等，其中Rd是主要部分[4]。設(shè)Wbz為零偏壓時集區(qū)寬度，Wgd為GD間耗盡層的寬度。μ為電子遷移率，Ag為柵漏疊區(qū)面積，As為柵源疊區(qū)面積，As為柵源面積因子，有

值得注意的是，結(jié)型場效應(yīng)管是電流雙向?qū)ㄆ骷?，Vgs滿足開通條件時，當(dāng)Vds大于零時，電流方向為正，此時的溝道電阻為正向電阻，當(dāng)Vds小于零時，電流方向為負(fù)，此時的溝道電阻為反向電阻。與常用的功率MOSFET器件類似，通常在碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管兩端并聯(lián)一個反向的碳化硅肖特基二極管，碳化硅器件本身的反向恢復(fù)時間比較短，反向恢復(fù)過程幾乎可以忽略[5]。通過反并聯(lián)肖特基二極管，使得器件的導(dǎo)通壓降比體內(nèi)寄生二極管有很大改善。

1.2 器件的動態(tài)特性

圖2所示為碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管的等效電路[6]，有關(guān)器件開關(guān)過程的重要動態(tài)參數(shù)包含柵源極等效電容Cgs與柵漏極等效電容Cgd。

由式（1）得柵源、柵漏極耗盡層寬度為

圖2 碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管等效電路

1.3 驅(qū)動等效電路

圖3為碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路要求高速光耦實現(xiàn)電壓隔離，同時滿足高速開關(guān)時dv/dt的需要[7]，Tr1與Tr2組成的圖騰柱輸出，增加電流驅(qū)動能力，提高驅(qū)動速度，Vp為正的驅(qū)動電壓，Vss為負(fù)的關(guān)斷電壓。驅(qū)動輸出既結(jié)構(gòu)簡單，又具有較好的開關(guān)特性與抑制驅(qū)動震蕩與電流尖峰的能力。1

圖3 驅(qū)動電路簡圖

設(shè)Qplt為器件的米勒電荷，Vplt為米勒區(qū)電壓，有驅(qū)動壓降

2 仿真與實驗研究

在選取以下參數(shù)：Vp＝ -18V，Vbi＝ 2.8V，Go＝ 10歐 姆-1，Wbz＝ 80×10-4cm，ε＝ 10.1，μ ＝ 0.76，Nd＝ 1016/cm3，Ag＝ 0.01cm2，As＝0.02cm2，fcsj＝0.5建立器件的仿真模型，建立圖4的器件測試電路，得到圖5器件的導(dǎo)通電阻測試值與仿真結(jié)果。

圖4 測試電路圖

由參數(shù)設(shè)定，可得以下仿真模型：

.model SiCJFET1 NJF(Beta=0.095 Betatc e=0 Rd=0.05 Rs=0.25 Lambda=31.77m Vto=-22 Vtotc=0 Is=10f Isr=0 N=1 Nr=2 Xti=3 Alph a=20.98u Vk=123.7 Cgd=100p M=.5 Pb=1 Fc=.5 Cgs=1000p Kf=50E-18 Af=1) 。圖6、圖7為器件的開通與關(guān)斷過程的仿真圖。圖8、圖9為器件開關(guān)測試圖。圖10為不同電阻值時的驅(qū)動電壓降。

圖5 導(dǎo)通電阻測試值與仿真值

圖6 開通仿真波形

圖7 關(guān)斷仿真波形

如圖5所示，器件導(dǎo)通電阻仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果非常一致。圖8，圖9所測開關(guān)波形與圖6，圖7的仿真波形也相一致，圖10所示在圖3驅(qū)動電路中，不同的Roff/Ron比值對驅(qū)動電壓降的影響。

圖8 開通測試波形

圖9 關(guān)斷測試波形

3 結(jié)論

本文通過在對碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的靜態(tài)、動態(tài)特性進(jìn)行半導(dǎo)體物理分析的基礎(chǔ)上建立仿真模型，仿真分析了器件的通態(tài)電阻與開關(guān)波形，結(jié)合實驗測試進(jìn)行了驗證。并研究了不同驅(qū)動電阻對驅(qū)動電路壓降的影響。仿真結(jié)果與測試結(jié)果相一致，表明模型的建立理論上是正確的，實際參數(shù)的選擇是準(zhǔn)確的。仿真與測試結(jié)果還表明碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管具有通態(tài)電阻低、開關(guān)速度高等優(yōu)點，是理想的新型電力電子器件。

圖10 不同Roff /Ron時的驅(qū)動電壓降

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Research of silicon carbide power JFET simulation model and its drive

HAO Xia-fei, PAN San-bo

研究碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管的靜、動態(tài)性能及仿真模型，針對高速開關(guān)時的碳化硅器件開關(guān)震蕩，提出有效抑制震蕩與減小容性電流影響的碳化硅功率晶體管驅(qū)動電路。在分析器件半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)、測量碳化硅器件特性參數(shù)的基礎(chǔ)上建立器件仿真模型，通過器件開關(guān)特性的仿真，分析了電路的驅(qū)動電壓、開關(guān)速度、dv/dt及不同的驅(qū)動情況下對驅(qū)動電路壓降的影響。結(jié)果表明，碳化硅結(jié)型場效應(yīng)功率晶體管具有通態(tài)電阻低、損耗小、開關(guān)速度高的特點，驅(qū)動電路能有效地工作于高頻狀態(tài)下，開關(guān)震蕩小，有利于器件應(yīng)用在高性能的電力電子裝置中。

碳化硅；結(jié)型場效應(yīng)晶體管；開關(guān)特性；驅(qū)動

郝夏斐（1975－），女，河南禹州人，講師，研究方向為計算機(jī)仿真與應(yīng)用。

TN323

A

1009-0134(2011)4(下)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).30

2010-12-25

河南省科技廳科技發(fā)展計劃項目（102102210212）