【導讀】寬禁帶材料實現(xiàn)了較當前硅基技術(shù)的飛躍。 它們的大帶隙導致較高的介電擊穿,從而降低了導通電阻(RSP)。 更高的電子飽和速度支持高頻設(shè)計和工作,降低的漏電流和更好的導熱性有助于高溫下的工作。
安森美半導體提供圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態(tài)系統(tǒng),包含從旨在提高強固性和速度的碳化硅(SiC)二極管、SiC MOSFET到 SiC MOSFET的高端IC門極驅(qū)動器。 除了硬件以外,我們還提供spice物理模型,幫助設(shè)計人員在仿真中實現(xiàn)其應用性能,縮短昂貴的測試周期。
我們的預測性離散建??梢赃M行系統(tǒng)級仿真,其中可以針對系統(tǒng)級性能指標(例如效率)進行優(yōu)化,而不局限于優(yōu)化元器件級性能指標,例如RDS(on)。 此外,設(shè)計人員可以放心地模擬數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件,例如開關(guān)應用的變化溫度、總線電壓、負載電流和輸入門極電阻。
為滿足這些需求,模型必須是基于物理規(guī)律的、直觀的、可預測的,最重要的是精確的。
在IC行業(yè)中,追溯到幾十年前,采用SPICE模型的支持CAD設(shè)計的環(huán)境對于IC設(shè)計人員準確預測電路性能至關(guān)重要。 通過首次正確設(shè)計縮短生產(chǎn)周期。 迄今為止,由于缺乏可靠的SPICE模型,電力電子CAD環(huán)境遠遠落后于IC行業(yè)。 電力電子器件模型基于簡單的子電路和復雜的非物理行為模型。仿真最終不可靠。
圖1
簡單的子電路過于基礎(chǔ)簡單,不足以充分利用所有器件性能。 在圖1中,我們顯示了一個CRSS圖,將典型的簡單模型(藍色)與更先進的物理模型(綠色)和測量數(shù)據(jù)(紅色)進行了比較。 顯然,您可以看到簡單模型無法捕獲非線性電容效應,最終導致不準確的動態(tài)開關(guān)仿真。
眾所周知,更準確、更復雜的行為模型會導致收斂問題。 此外,此類模型通常以專有的仿真器行為語言(例如MAST™)編寫,因此無法跨多個仿真器平臺。
通常,電力電子模型既不是基于工藝技術(shù)和布局的,也不具有芯片平面布局的可擴展性。
我們以物理可擴展模型開發(fā)了一個適用于整個技術(shù)平臺的模型。 這就是說,它不是包含經(jīng)驗擬合參數(shù)的單個模型的庫,最終曲線適合所有產(chǎn)品。只需輸入給定產(chǎn)品的芯片平面布局參數(shù),通過芯片擴展,我們就可以使技術(shù)迅速發(fā)展。
在下一級水平,模型中基于物理學的工藝依賴性使我們能夠預測新的虛擬技術(shù)變化帶來的影響。 顯然,早期設(shè)計有助于從應用角度帶動技術(shù)要求,并加快產(chǎn)品上市時間。 一方面,工藝和器件設(shè)計工程師使用限定的元器件仿真,也稱為TCAD。 另一方面,應用和系統(tǒng)級設(shè)計人員使用基于SPICE的仿真環(huán)境。 基于工藝參數(shù)的spice模型有助于這兩方面的融合。
現(xiàn)在,我們介紹一下碳化硅功率MOSFET模型的部分特性。
圖2顯示了典型的碳化硅MOSFET橫截面,圖3顯示了子電路模型的簡化版本。
現(xiàn)在介紹該模型的一些元素。 首先,我們談談關(guān)鍵通道區(qū)域。 在這里,我們使用著名的伯克利BSIM 3v3模型。 我們都盡可能地不做重復工作。 在這種情況下,我們嘗試建模MOSFET通道,該通道非常適合用BSIM模型進行。 該模型是基于物理的,通過亞閾值、弱反演和強反演來準確捕獲轉(zhuǎn)換。 此外,它具有出色的速度和收斂性,可以廣泛用于多個仿真平臺。
接下來,我們需要覆蓋由EPI區(qū)域的多晶硅重疊形成的門極至漏極臨界電容CGD。 該電容本質(zhì)上是高度非線性的金屬氧化物半導體(MOS)電容器。 該電容器的耗盡區(qū)由摻雜剖面、P阱dpw之間的距離以及外延層的厚度等工藝參數(shù)復雜的依賴性控制。SPICE行為方法實施一種基于物理的模型,并將所有這些影響考慮進去。
圖4
如圖4所示,從橫截面開始,我們想介紹芯片平面圖可擴展性背后的一些概念和結(jié)構(gòu)?;疑珔^(qū)域是有源區(qū)。 藍色無源區(qū)與裸芯邊緣(die edges)、門極焊盤和門極通道(gate runners)相關(guān)。 基于物理幾何的衍生確定了無源區(qū)和有源區(qū)之間的分布,這是實現(xiàn)可擴展性所需的。 我們非常關(guān)注在有源和無源區(qū)之間的邊界區(qū)域中形成的寄生電容。 一旦開始忽略布局中的寄生電容,你什么時候才會停止這種錯誤呢? 所有被忽略的電容最終累積起來成為一個麻煩。 在這種情況下,就無法實現(xiàn)擴展。 而我們的理念是不忽略任何電容器。
碳化硅MOSFET支持非??斓膁V / dt,大約每納秒50至100伏,而dI / dts大約每納秒3至6安培。器件固有的門極電阻很重要,可以用來抗電磁干擾(EMI)。 圖4右邊的設(shè)計具有較少的門極通道,因此RG較高, 很好地限制了振鈴。 圖4左邊的設(shè)計有許多門極通道,因此RG較低。 左邊的設(shè)計適用于快速開關(guān),但每個區(qū)域的RDSon也較高,因為門極通道會在有源區(qū)侵蝕掉。
圖5
現(xiàn)在,我們要談談模型驗證。 我們首先在左側(cè)的圖5中顯示輸出電流-電壓特性。該模型準確預測整個偏置范圍,包括高門極處的漂移區(qū)和漏極偏差。右圖中的精確導通仿真突出了模型的連續(xù)性,這對于強固的收斂性能很重要。 除了線性以外,我們經(jīng)常查看對數(shù)刻度,以發(fā)現(xiàn)隱藏的不準確和不連續(xù)。
圖6
在圖6中,我們顯示了在寬溫度范圍內(nèi)的當前電壓、RDSon和閾值電壓的結(jié)果。 SiC MOSFET器件具有穩(wěn)定的溫度性能,因此非常有吸引力。寬溫度范圍內(nèi)的高精度建模使設(shè)計人員可以充分利用這種特性。
圖7
前面我們介紹了對復雜器件電容的物理建模。 圖7顯示了結(jié)果。在左側(cè),CRSS(或CGD)仿真跟蹤數(shù)據(jù)在2個數(shù)量級以上的多次變化,僅在對數(shù)刻度上可見。
圖8
開關(guān)結(jié)果具有精確建模的固有電容和器件布局寄生效應,如圖8所示,無需額外調(diào)整模型。 這種水平的保真度使應用設(shè)計人員有信心精確地仿真器件電路的相互影響,例如dV / dt、dI / dt、開關(guān)損耗和EMI。 門極驅(qū)動器和電源環(huán)路的相互作用可以被更進一步地研究和優(yōu)化。
對我們來說,滿足客戶各種不同的仿真平臺要求非常重要。 因此,SPICE方法至關(guān)重要。 SPICE不局限于某個專用平臺或系統(tǒng),我們僅使用行業(yè)標準仿真軟件中的最小公分母結(jié)構(gòu),從而避免依賴于仿真器的專有方案。
安森美半導體提供一系列先進的寬禁帶器件和仿真環(huán)境。 完整的產(chǎn)品陣容形成一個生態(tài)系統(tǒng),使客戶能夠充分利用新的、令人興奮的寬禁帶應用和系統(tǒng)。
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