【《碳化硅电机控制器的特性分析及建模分析案例》6100字】

碳化硅电机控制器的特性分析及建模分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15323碳化硅电机控制器的特性分析及建模分析案例 1196671.1静态特性分析与建模 1194941.1.1核心MOS管分析与建模 2201371.1.2阈值电压分析与建模 3164121.1.3导通电阻分析与建模 4208631.1.4体二极管分析与建模 5148681.2动态特性分析与建模 6711.1.1寄生电容分析与建模 6274691.1.2开关过程分析 8309911.3Simulink模型验证与分析 1131281.4小结 13目前，对于SiC-MOSFET器件的分析大多基于Pspice等电路仿真软件，这类电路仿真软件并不适用于控制系统建模仿真，随着对SiC-MOSFET研究的逐渐深入,SiC-MOSFET在电机驱动控制领域的应用前景十分广阔[33-35]，但是在控制系统仿真建模领域应用最广的Matlab/Simulink中，对于SiC-MOSFET器件建模的研究很少，且现有的模型不能准确反映功率器件的特性。本章节通过对SEMIKRON公司的第二代高性能SiC-MOSFET功率模块SKM500MB120SC的静态、动态特性进行综合分析，建立器件内部数学表达式，然后利用Matlab/Simulink可编程函数特性和搭建电路的便利建立SiC-MOSFET等效模型，来模拟SiC-MOSFET的静、动态特性，其中，在静态特性中，详细介绍SiC-MOSFET核心MOS管以及内部体二极管、阈值电压、导通电阻的建立过程和参数提取方法。在动态特性中分析在不同开关时刻下电压电流的关系，建立对应的动态等效电路模型。1.1静态特性分析与建模SiC-MOSFET静态特性主要包含转移特性和输出特性。实际上SiC-MOSFET的静态特性体现的是功率器件漏极电流与栅源电压、漏源电压之间的关系，由于SiC-MOSFET内部寄生电容只有在动态开关过程发挥作用，因此，在进行静态分析与建模过程中，内部寄生电容模型暂不考虑，只需要建立核心MOS管、栅极电阻以及体二极管。图2-1SiC-MOSFET模型图Figure2-1SiC-MOSFETmodeldiagram本文采用的SiC-MOSFET静态模型如图2-1所示，包含模型核心MOS管、体二极管Db以及栅极电阻Rg。核心MOS管实际上是一个电压控制电流源Id，Id包含转移特性方程和输出特性方程。体二极管是在SiC-MOSFET漏源极之间存在的一个固有的寄生二极管，当电路中出现较大反向电流时，可以从体二极管导出，起到保护功率器件的作用。栅极电阻Rg可以为MOS管提供偏置电压，同时栅极电阻可以起到隔离以及防止寄生振荡的作用。1.1.1核心MOS管分析与建模传统的碳化硅静态特性建模采用分段式建模的方式，将输出特性线性分为3个区域，截止区、饱和区以及非饱和区。以漏源电压Vds、栅源电压Vgs和阈值电压Vth三者之间的关系作为判别条件，根据不同的条件得出相应的漏极电流值。这种建模方式基于物理模型可以详细的表征功率器件的物理特性，但是这种建模方式中含有大量的实际物理含义的参数[36-37]，同时线性的将栅源电压Vgs进行分段分析，会导致间断点求导的时候不收敛[38]。为了提高所建模型的准确性，在这里采用一种非分段、连续可导的受控电流源模型来表征功率器件的输出特性以及转移特性。采用受控电流源Id用来描述SiC-MOSFET内部电压与电流的关系，包括转移特性方程Id1和输出特性方程Id2。转移特性方程如式（2-1）所示，其中Id1描述的是SiC-MOSFET栅源电压Vgs与漏极电流Id之间的关系，通过在Angelov大信号电路模型基础上化简得到[39]。输出特性方程如式（2-2）所示，Id2描述的是功率器件漏源电压Vds与漏极电流Id之间的关系。同时为了同时能够拟合转移特性和输出特性，将Id1和Id2相乘得到完整的Id方程。Id1=式中a、b、c、d、e均为转移特性拟合参数。Id2描述的是功率器件漏源电压Vds与漏极电流Id之间的关系Id2式中m和n为输出特性拟合参数。为了能够同时拟合转移特性和输出特性，将Id1和Id2相乘得到Id的方程Id同时，为了能够体现出MOS管的3个工作区域（截止区、饱和区以及非饱和区），以及在不同栅源电压Vgs下，电流Id与漏源电压Vds之间的关系，将参数m和n设定为随栅源电压Vgs变化而变化的函数，即Id通过参数提取，上式中m(VgsmV表2-125℃条件下核心MOS管拟合参数Table2-1FittingparametersofcoreMOStubeat25℃参数abcde数值1.23210.3126-0.0083-10.243-1.22591.1.2阈值电压分析与建模SiC-MOSFET的阈值电压Vth具有负温度特性，过高的阈值电压会使栅极电压Vgs降低进而加大功率器件的驱动难度，同时阈值电压过低也会导致电路中器件误导通[40]，传统的建模[41-42]采用线性拟合的方式对阈值电压进行建模，误差较大，并且不能很好拟合出阈值电压的温度特性。因此有必要对阈值电压进行精准建模。从厂商提供的数据手册中可以看到，阈值电压随温度（T）的增加呈现明显的非线性变化，因此建模的时候不能单纯的将阈值电压Vth设定为恒定值。通过利用数据采集软件Getgate对数据进行采集，然后对采集到的数据进行非线性拟合，拟合方程如式2-6所示Vth式中K1、K2和K3均为阈值电压的拟合系数，其中具体参数如表2-2所示。表2-2阈值电压拟合参数Table2-2Thresholdvoltagefittingparameters参数K1K2K3数值1.74571.4185159.048图2-2为SiC-MOSFET阈值电压随温度变化的仿真对比结果，从图中可以看出，阈值电压随着温度的变化而变化，且表现出负温度特性，所拟合曲线与数据手册曲线误差在2%以内，说明所建模型可以模拟出阈值电压的温度特性，可以满足实验需求。图2-2SiC-MOSFET的阈值电压随温度变化结果对比曲线Figure2-2ComparisoncurveofSiC-MOSFETthresholdvoltagewithtemperature1.1.3导通电阻分析与建模当SiC-MOSFET管工作在截止区的时候，对外可以等效为一个线性电阻，即截止区的电阻可以表征为SiC-MOSFET的导通电阻。导通电阻决定了功率器件的开关以及导通损耗，因此导通电阻是衡量SiC-MOSFET性能的主要参数之一。SiC-MOSFET导通电阻Rds容易受电压和温度的影响，从而会进一步影响到功率器件的静态特性和动态特性。传统建模将导通电阻设置为定值电阻[43]无法模拟出SiC功率器件的温度特性。通过分析特性可知，导通电阻Rds受温度的影响呈现非线性变化的趋势，对导通电阻与温度的关系曲线进行数学拟合，同时为进一步提升拟合的精度和准确性，进行三阶拟合，得到如式2-7所示的拟合方程：Rds式中：K4、K5、K6和K7均为导通电阻拟合系数，具体数值如表2-3所示。表2-3导通电阻拟合参数Table2-3On-resistancefittingparameters参数K4K5K6K7数值40.34860.16184.1581×1.6752×导通电阻拟合对比如图2-3所示，通过计算，拟合曲线与数据手册曲线的平均相对误差为1.56%，在合理范围之内，而且从图中可以看出，在给定不同栅源电压下，所建模型的拟合曲线能够随着温度的升高而增加，通过与数据手册曲线对比可知，所建模型能够较好的描述SiC-MOSFET导通电阻的变温度特性。图2-3不同VGS条件下导通电阻随结温变化曲线Figure2-3Variationcurveofon-resistancewithjunctiontemperatureunderdifferentVGSconditions1.1.4体二极管分析与建模常规的对体二极管Db建模是基于PSpice中自带的体二极管模型建模，这种模型较为简单，无法完全描绘漏源极反并联二极管的特性，因此有必要单独对体二极管单独建模，来模拟更加精准的SiC-MOSFET模型。通过对SiC-MOSFET分析可知，体二极管的特性主要包括I-V特性以及结电容特性。其中I-V特性表征的是功率器件在不同栅源电压下漏源电流Ids与漏源电流Vds之间的关系。而体二极管的结电容与SiC-MOSFET内部寄生电容Cds均是SiC-MOSFET内部PN节耗尽层的寄生电容。因此，为了避免重复建模，会在后面对漏源电容Cds单独建模，体二极管的取值大小等同于漏源电容Cds。通过分析可知，体二极管的漏极电流会随着漏源电压呈现强烈的非线性特征，因此，首先利用Origin软件获取数据手册中的有效数据，然后通过非线性拟合得数学方程，如式2-8所示Ids=A1式中，A1、A2、A3、A4均是体二极管的拟合系数，具体数值如表2-4所示。表2-4内部寄生二极管拟合参数Table2-4Internalparasiticdiodefittingparameters参数A1A2A3A4数值-33.57699.3412-6.42141.4181体二极管的I-V特性拟合如图2-4所示，通过将拟合得到的数据曲线与官方数据手册进行计算，两者的相对误差为1.35%，同时从图中可以看出，拟合的到的I-V曲线与数据手册数据有着很高的契合度，说明所建模型的准确性。图2-4不同VGS条件下体二极管的I-V变化曲线Figure2-4I-VcurveofbodydiodeunderdifferentVGSconditions1.2动态特性分析与建模SiC-MOSFET的动态特性主要指的是器件的开关特性，而器件内部寄生的结电容直接影响着器件的开关过程，因此本节重点对功率器件内部寄生电容进行建模研究，同时对功率器件开关过程中电压电流关系进行分析，推导出电压电流关系式，为后面在Simulink建立SiC-MOSFET等效电路模型提供理论支持。1.1.1寄生电容分析与建模SiC-MOSFET在器件内部寄生有3个极间电容，分别是栅漏电容Cgd、漏源电容Cds和栅源电容Cgs，这些电容呈现强烈的非线性特征，同时电容两端电压的变化直接影响其动态特性，进一步决定器件的开关性能，同时内部寄生电容还会对器件开关过程的电压、电流尖峰[44]以及EMI噪声[45-48]等造成影响。对于内部寄生电容参数，数据手册只提供输入电容Ciss、输出电容Coss、传输电容Crss曲线，但是可以通过式（2-9）[49]可以获得建模所需要的Cgd、Cds和Cgs数据，即Cgd在SiC-MOSFET寄生的3个非线性电容中，Cgs随Vgs变化不明显，一般默认为常数。Cgd和Cds的容值与其加在其两端的电压有明显非线性跟随特征，根据这些特征建立C-V关系。同时在实际分析中发现栅漏电压Vgd=Vgs-Vds，且Vgs对Vds而言影响太小，在这里默认为Vgd=-Vds。Cgd在Vds为0-15V区间内的变化跨越2个数量级，利用分段函数拟合Cgd来降低拟合误差，提升拟合曲线的精准度。根据两端拟合曲线交点的位置，选择Vgd=-13.412V作为参考节点，获得如式2-10、式2-11所示函数表达式。拟合曲线与数据手册曲线对比如图2-5所示，由于栅源电容Cgs是常数，所以仿真曲线是一条直线，另外可以看出拟合曲线可以较准确表现出漏源电容Cds和栅漏电容Cgd随漏源电压Vds变化的非线性特性，通过对拟合曲线和数据手册曲线进行误差分析，两者的误差在0.56%，在合理范围之内说明所建模型对非线性电容特性描述较为准确。Cgs=f式中A1~A8和M1~M4均为内部寄生电容拟合参数，具体数值如表2-5所示。表2-5内部寄生二极管拟合参数Table2-5Internalparasiticdiodefittingparameters参数A1A2A3A4A5A6数值337.12872661.9339863.16152851.7502-2226.3668-6.1512×10A7A8M1M2M3M4190.5065-0.51193.547347.35570.71597.6314图2-5内部寄生电容拟合曲线与数据手册曲线对比Figure2-5Comparisonofinternalparasiticcapacitancefittingcurveanddatasheetcurve1.1.2开关过程分析在对SiC-MOSFET内部寄生电容研究的基础上，基于双脉冲测试原理对理想条件下SiC-MOSFET的开关过程进行分析，建立如图2-6所示的等效电路图。其中，VG为栅极驱动电压，Rg为功率器件内部的栅极电阻，VDC为输入电压源。开通和关断过程可以分为8个阶段，如图2-7所示。式（2-12）~式（2-25）给出了这两个过程中器件内部电压、电流方程，通过方程可以计算出每一个过程中Vgs、Vds和Id(漏极电流)随时间的变化。t0~t1开通延时阶段。t0时刻栅极驱动电压VG开始升高。在该时刻，栅极驱动电压开始对栅源电容Cgs充电，Cgs两端的栅源电压Vgs开始增加，直到t1时刻Vgs=Vth。在t1之前栅源电压Vgs未达到阈值电压，因此Id=0，Vds=VDC。如下式所示该阶段对应的方程为Vgs（2-13）图2-6SiC-MOSFET动态等效电路示意图Figure2-6SchematicdiagramofSiC-MOSFETdynamicequivalentcircuit（A）开通过程(A)Starttheprocess（B）关断过程(B)Turn-offprocess图2-7SiC-MOSFET模拟开关过程Figure2-7SiC-MOSFETanalogswitchingprocesst1~t2阶段，漏极电流Id上升阶段。Vgs从Vth增大到米勒电压Vmil，漏极电流Id受驱动电压VG的影响开始从0增加，在t2时刻，Id=I0（I0为导通电流）后功率器件开始导通，此时漏源Vds仍然保持不变。式中g为跨导系数（查阅数据手册可得），t2阶段Vgs对应的方程为Vgs该阶段对应的方程为Idt2t2~t3阶段，Vds下降阶段。漏极电流Id会逐渐增大，并在t2时刻到达I0后保持不变。与此同时，漏源电压Vds会以一定斜率降低到导通电压（RgI0），栅极驱动电流为Cgd充电，由于Cgd远大于Cgs，所以驱动电流全部用来给Cgd充电，从而使Vgs维持在米勒电压阶段，该阶段又称为米勒平台。该阶段对应的方程为Vdstt3~t4完全导通阶段。在米勒平台末期，栅极驱动电流同时给Cgs和Cgd充电，栅源电压逐渐上升到Vgs=VG，漏极电流、漏源电压保持不变，SiC-MOSFET进入完全导通状态，开通过程结束。关断过程与开通过程类似，也可以分为4个阶段。t5~t6关断延时时刻，t5时刻栅极驱动信号开始下降，VG=0，Vgs会逐渐降低，在t6时刻降低到Vmil，Vds维持在导通电压不变，漏极电流保持不变，该阶段对应的方程为Vgst6t6~t7时刻栅源电压上升时间，Vgs会一直维持在Vmil这个阶段，漏极电流维持在I0不变，漏源电压Vds会从导通电压逐渐增大到VDC。该阶段对应的方程为Vdst7t7~t8阶段，漏极电流会呈现指数下降，直到在t8时刻降为0，栅源电压Vgs从米勒电压Vmil逐渐降低到阈值电压Vth。该阶段对应的方程为VgsIdt8t8~t9时刻，漏极电流Id=0，Vds=VDC保持不变，栅源电压Vgs逐渐降低到0.1.3Simulink模型验证与分析图2-8SiC-MOSFETSimulink仿真电路示意图Figure2-8SchematicdiagramofSiC-MOSFETSimulinksimulationcircuit根据对SiC-MOSFET静动态特性的分析，在Matlab/Simulink中建立等效电路模型，如图2-8所示，其中Vgs-power和Vds-power分别为栅源电压控制信号和漏源电压控制信号；Model模块用来调整SiC-MOSFET的模型状态，当Model=1时，SiC-MOSFET处于静态状态，反之处在动态状态；模块T表示的器件结温，通过设定不同的数值来模拟器件的工作温度；Cgd、Cds、Rds、Db模块是通过编写函数关系构造的非线性电容模块、电阻模块以及体二极管模块；Rg表示器件内部的栅极电阻，Rp为旁路电阻，当S2断开时，为受控电流源提供闭合回路；MOS-CoreFunction模块是静态和动态的核心模块，包含静态特性公式，阈值电压与温度的关系以及根据动态特性建立的电压电流关系式。转移特性与输出特性拟合结果如图2-9和图2-10所示。从图中可以看出，随着栅源电压Vgs的变化，拟合得到的特性曲线与数据手册曲线基本一致。说明电流受控源模型可以较精确的描述SiC-MOSFET的静态特性。图2-11和图2-12分别为栅极驱动电压VG=20V，漏源电源VDC=200V，漏极电流Id=50A，Rg=1.5Ω，T=25℃的条件下，SiC-MOSFET开通时间和关断时间的波形图。为了更直观地验证模型的动态特性，将仿真的上升时间和下降时间与数据手册提供的数值进行对比，如表2-1所示。仿真模型与数据手册模型的开通时间分别为18.7ns和20ns，误差为6.5%；仿真模型与数据手册模型的关断时间分别为17.1ns和18ns，误差为5%，通过对比可以看出，仿真值与数据手册提供的标准值大致相同，所建模型能很好地表征SiC-MOSFET开通和关断过程，有利于SiC-MOSFET在实际电路中的应用和仿真。图2-925℃时SiC-MOSFET的转移特性拟合结果对比曲线Fig.2-9ComparisoncurveofSiC-MOSFETtransferc