背 景
SiC功率半導體器件憑借其顯著降低功率損耗等特性獲得眾多關注，其市場需求正不斷攀升。2010年，三菱電機開始將SiC功率半導體模塊商業(yè)化，這些模塊以肖特基勢壘二極管(SBD)和SiC-MOSFET為典型代表，用于空調、工業(yè)設備、鐵路車輛等逆變系統中，有助于降低功耗、減小變流器尺寸和重量。自今年7月起，三菱電機將開始提供最新的分立器件樣品：N系列1200V SiC-MOSFET
當使用分立器件開發(fā)變流器時，主功率回路和驅動回路的設計有必要通過仿真進行驗證。而使用傳統的SPICE模型，電流波形仿真精度較低，需要通過多種工況下的實驗數據來補充SPICE模型的仿真結果。
圖1：SiC MOSFET芯片截面圖(左)和開關波形實例分析(右)
(P區(qū)：注入鋁離子的SiC層；N區(qū)：注入氮離子的SiC層)近日，三菱電機株式會社宣布開發(fā)出高精度的仿真電路模型(SPICE, Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，用于分析分立器件電路。該仿真技術已應用在N系列1200V SiC-MOSFET*樣品中，并將于本月發(fā)售該樣品。與傳統SPICE模型不同的是，三菱電機新開發(fā)的模型仿真的高速開關波形幾乎和實際測試結果一樣，目前其精度在業(yè)內無與倫比，這有望使變流器設計變得更加高效。未來，三菱電機計劃新增多個與溫度相關的參數，以實現SPICE模型在仿真器件高溫下運行的準確性。2020年7月8日，三菱電機在PCIM Europe國際研討會上展示了此仿真模型**。*Silicon-carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor**會議報告: T.Masuhara, T. Horiguchi, Y. Mukunoki, T. Terashima, N. Hanano and E. Suekawa.“Development of an Accurate SPICE Model for a New 1.2-kV SiC-MOSFET Device”SiC-MOSFET從漏極到源極的電流(漏極電流)是由柵極電壓決定的(圖2)。MOSFET內部含有寄生電容，其上積累的電荷并決定開關速度。當器件端子上施加電壓時，內部正電荷和負電荷數量就會發(fā)生改變，從而致使各層間距離隨之改變，進而導致寄生電容變化，最終影響開關速度的變化。當層間距離減小時，電容值增大，開關速度減小；反之，當層間距離增大時，電容值減小，開關速度增大。
三菱電機SPICE模型的準確性主要來源于對寄生電容和電壓依賴性的準確描述。在高速換流過程中對電流波形進行高精度仿真，這在以前的模型中是無法實現的。例如，在SiC-MOSFET的開通過程中，所有電壓和電流的仿真波形與實際實驗波形幾乎一致。漏極電流上沖的誤差從40%降低到15%(見圖3右)。
在額定電流范圍內，新模型能夠高精度仿真流過變流器的漏極電流。在變流器開發(fā)的早期階段，電路設計人員可以花更少的時間進行試驗驗證，提高工作效率。與以往不同，新模型還實現了SiC-MOSFET驅動電流波形(也即柵極電流波形)的高精度仿真，可以選擇最優(yōu)的驅動器件來保證SiC-MOSFET的驅動電流，從而有可能降低成本。
