傳統的硅功率晶體管在理論上已經被推到了極限。1,2基于寬帶隙器件的系統（即碳化硅）已經超越了效率、密度和工作溫度方面的限制。3阻斷電壓與導通電阻之比是由自身較高的碳化硅帶隙能量產生的。4這就是基于 SiC 的轉換器比基于硅的轉換器更有效地用于更高電壓級別的原因。歷史上，硅 IGBT 器件在細分市場中一直占據主導地位，而 SiC MOSFET 是為具有中壓 (MV) 級別（即 2 至 10 kV）的應用而完美設計的。5此外，據觀察，與以效率和高功率密度而聞名的 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 能夠以更快的速度執行轉換。1這些設備以其可用于海軍艦艇、儲能系統和高速鐵路運輸的能力而聞名。6,7,8本文介紹了在 LT spice 中執行的計算能力很強的 MV SiC MOSFET 模型。該單小工具模型用于對 XHV-7 進行建模，XHV-7 是 6.5 kV SiC MOSFET 半連接模塊，Cree 正在進行這項工作 | 狼速。1該模型的批準是通過將模型產量與來自雙脈沖心跳測試 (DPT) 的觀察波形進行對比來執行的，這些波形跨越工作條件范圍直至模塊評估。所描述的模型旨在解決 MV SiC MOSFET 模塊缺乏普遍可訪問的 SPICE 模型的問題。請訪問原始文章。

中壓碳化硅MOSFET模型

通過功率半導體建模，在計算的復雜性和仿真的準確性之間觀察到微妙的平衡。用于緊湊系統建模的模型類型9是：

行為的

半物理

物理

行為模型以數學方式顯示了設備對刺激的響應，很少或不考慮底層設備物理。

半物理模型描述了半導體物理，伴隨著非物理的簡化，具有降低計算復雜度的能力。

半導體物理學給出的數學描述被通常按區域分解的基于物理學的模型用于基于特征方程計算器件的響應。

幾何特性降低了模型參數的不確定性。本文中給出的 SiC MOSFET 模型是一個模型，它是一個以 Level 3 N-MOS 器件為核心的子電路。1眾所周知，Level 3 NMOS 具有以下顯著優勢：

它在計算上是有效的。

它以其合理的準確性而聞名。

它具有在模擬中適當收斂的能力。

它的一些參數以降低調諧能力而著稱。10圖 1a 和 b 中顯示了 SiC MOSFET 模型的詳細圖，這表明 CGS 是使用線性電容器實現的，用于捕獲 SiC MOSFET 的電壓相關電容，而行為電流源用于模擬依賴偏差的 CGD 和 CDS 元素，沒有顯著的計算開銷。1

圖 1：碳化硅 MOSFET 模型詳圖

XHV-7模塊型號

基于 6.5 kV SiC 晶體管的模型已在上一節中介紹。為了捕捉多芯片電源模塊 MCPM 的行為，有必要考慮開關位置的幾何形狀和拓撲結構。XHV-7 模型，它是由 Cree 開發的 6.5-kV SiC MOSFET 半橋 MCPM | Wolfspeed 是由單模模型創建的。1圖 2 顯示了 XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM。1已經注意到，器件封裝寄生參數的表征在準確創建 MCPM 模型中起著重要作用。已經報道了有關 XHV-7 寄生電感的詳細信息。11

圖 2：XHV-7 6.5-kV SiC MOSFET MCPM

實證驗證

一個。實驗裝置

除了工作范圍條件外，XHV-7 還在鉗位感性負載 CIL 測試臺上進行了硬開關，以便生成用于模型驗證的時域波形。圖 3 清楚地描繪了具有 MV 功能的鉗位感性負載 CIL 測試臺的概覽。1表 1 清楚地顯示了對在 LT spice 中重新創建模型很重要的參數的摘要，而表 2 則是關于工作中使用的計量學。1

圖 3：MV CIL 測試臺

表 1：試驗臺參數

表 2：測試臺的測試計量

灣 實驗結果

XHV-7 模塊已經在五種直流母線電壓條件（1 kV、2 kV、3 kV、4 kV 和 5 kV）下進行了評估，同時正在描述 DPT 實驗，這是在三種負載電流條件下完成的（200 A、400 A 和 800 A）。1圖 4 是 500-kV、800-A DPT 示波器波形的屏幕截圖。根據實驗中每個工作條件形成的波形計算的開關能量值已清楚地顯示在圖 5 中。

圖 4：DPT 的示波器屏幕截圖

圖 5：6.5-kV XHV-7 的開關損耗

我們可以看到，在關斷期間，V DS的壓擺率為28.5 V/ns，過沖為 1,200 V，而漏極電流的壓擺率為 6 A/ns，有少量下沖。1在導通過程中，觀察到V DS的壓擺率為11.5 V/ns，有一點下沖，而漏極電流的壓擺率為 4.5 A/ns，過沖為 175 A。1

從實驗中還可以觀察到，6.5V XHV 模塊的開關能量比傳統的基于 Si IGBT 的模塊小 12 倍。1表3為不同負載下開關能量的比較

表 3：開關能量比較

C。XHV-7 模型驗證

圖 6a 和 b 以及圖 7 清楚地顯示了 LT spice 模型的 XHV-7 預測與五種不同操作條件下的經驗 DPT 波形之間的時域比較。

圖 6：不同負載下模型預測和經驗測量的比較

圖 7：不同負載下模型預測和經驗測量的比較

結論

在這里可以得出的結論是，很難提供任何類型的 SPICE 模型，這些模型在本質上是準確可靠的，專門用于 MV SiC MOSFET，因為它們并不廣泛可用。本文通過以計算方式精確地為在 LT spice 中實現的 MV SiC MOSFET 提供有效的行為模型來解決這個問題。本文給出的SiC MOSFET模型是一個以Level 3 NMOS元件為核心的子電路模型。眾所周知，Level 3 NMOS 元件具有顯著的優勢，例如計算效率、合理的精度以及在模擬中正確收斂的能力。在 25?C 下，與考慮的 Si IGBT 模塊相比，XHV-7 已證明總開關能量大約低 12 倍。

審核編輯：湯梓紅