基于SIMPLIS軟件的功率MOSFET寄生參數仿真研究

馮興田，王世豪，邵 康

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引言

功率器件MOSFET廣泛應用于短路保護、電動機控制、開關電路［1-4］等場合，不同的設計需求促生了MOSFET的多種類型和有效的設計使用方法。文獻［5］中通過采用新結構、新材料、新工藝等技術來提升功率MOSFET的性能，突破了傳統MOSFET硅極限和SJ MOSFET硅極限關系，設計了一種高效節能的功率MOSFET。文獻［6］中結合SiC MOSFET的參數特性及驅動要求，采用了一種柵極有源箝位串擾抑制方法，設計了一種高效的SiC MOSFET 驅動電路。文獻［7］中則在Si基橫向雙擴散MOSFET模型的基礎上，采用與溫度相關的電流源和電壓源補償器件漏極電流和閾值電壓的變化，設計了一種減少工作溫度影響的SiC 功率MOSFET。

功率MOSFET在開關過程中要跨越線性工作區，形成電流和電壓的交錯區，從而產生一定的損耗，米勒平臺就是在這個過程中形成的一段時間相對穩定的線性區［8-9］。在MOSFET 的關斷過程中，不同的寄生參數會改變電路中米勒平臺的持續時間，導致關斷時間過長，使MOSFET構成的高性能變換器失去零電壓開關的優點［10］。

本文基于SIMPLIS 仿真軟件和實際MOSFET 特點，建立MOSFET 的仿真模型，進行MOSFET 寄生參數影響的研究，獲取寄生參數影響規律。通過直觀的仿真模型、仿真數據及波形，將抽象的內部參數關系展示給學生，便于學生理解和掌握該部分知識，在激發學生學習興趣的同時，加深學生對MOSFET 器件性能的理解。

1 MOSFET寄生參數分析建模

為兼顧仿真速度和仿真精度，本文選用SIMPLIS軟件對MOSFET的寄生參數進行仿真分析。SIMPLIS軟件是以狀態空間法為基礎的仿真內核，對非線性器件可以采用分段線性建模，將一個完整的系統定義為線性電路結構的循環序列，以描述開關電源系統中半導體器件的開關特性。它可以實現電源電路的高速仿真，且能夠將仿真精度與收斂性能有效結合［11-13］。

圖1 所示為在SIMPLIS軟件中搭建的MOSFET仿真模型。針對MOSFET 的寄生電容進行分段線性建模，根據內部器件的工作原理確定其轉移特性、輸出特性和圖像數據完成對MOSFET的建模。

圖1 Simplis中搭建的MOSFET模型

圖中：Cgs、Cgd、Cds為MOSFET寄生電容，均采用分段線性（Piecewise linear，PWL）電容建模；G1為壓控電流源；Rline為分段線性電阻；S1為壓控晶體管。PWL電容器由xy平面上的一系列點定義，電荷（q）在垂直軸y上，電壓（u）在水平軸x 上。按照這個定義，隨著電容器兩端的電壓變化，電荷始終是連續的。SIMPLIS軟件可以將一定電壓范圍內的PWL 電容器的q-u 特性定義為任意段。為了兼顧仿真速度與仿真精度，將MOSFET中的寄生電容參數線性段分為10 段。

線性電容的q-u表達式為

非線性電容的q-u表達式為：

本文研究的MOSFET型號為C2M0080120D，在其數據手冊中，官方給出了輸入電容（漏源極短接，用交流信號測得柵極和源極之間的電容就是輸入電容Ciss，Ciss由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯而成）、輸出電容（柵源極短接，用交流信號測得漏極和源極之間的電容就是輸出電容Coss，Coss由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯而成）、反向傳輸電容（源極接地情況下，測得漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容Crss，反向傳輸電容等同于柵漏電容Cgd）的電容-電壓曲線，Cgs和Cds可以由各電容并聯關系計算得出。

利用數據提取軟件采集數據手冊中的圖像數據和利用Matlab軟件對數據進行處理，得到的Ciss、Coss、Crss數據曲線如圖2 所示。Cgs、Cds、Cgd實際參數曲線及其PWL模型參數對比曲線如圖3 所示。Cgs、Cds、Cgd實際模型及其PWL 模型的電荷-電壓對比曲線如圖4所示。

圖2 Ciss、Coss、Crss數據曲線

圖3 Cgs、Cds、Cgd實際參數曲線及其PWL模型參數曲線

圖4 Cgs、Cds、Cgd實際模型及其PWL模型的Q-u曲線

完成MOSFET寄生電容的分段線性建模之后，需要根據SIMPLIS中搭建的MOSFET模型的內部器件的工作原理，來探究MOSFET 的轉移特性和輸出特性，從而準確得到MOSFET的仿真模型。圖5 為針對圖1中壓控晶體管S1的分析，其中，圖5（a）為S1的原理示意圖，圖5（b）為S1導通和關斷狀態下的等效電路，圖5（c）為S1工作特性圖。

圖5 壓控晶體管S1的原理示意圖、等效電路及工作特性圖

MOSFET的轉移特性可以表示為：

通過Rline可以控制gain，將MOSFET 的轉移特性進行分段控制，當Usat設置為0 時，可變電阻區內任意ugs下MOSFET 導通電阻為Rsat固定值，這一點與實際特性不符，但在研究MOSFET關斷特性時，MOSFET導通電阻幾乎不影響關斷過程。所以MOSFET 在飽和區以及可變電阻區的輸出特性可以由圖1 中的G1、Rline和S1聯合表達。經過上述方法對這種MOSFET的建模見表1。

表1 各寄生電容的分段參數

2 仿真設計與分析

為分析不同電路條件下MOSFET 的關斷過程，搭建以C2M0080120D 型號MOSFET 為開關器件的半橋LLC諧振變換器［14-15］仿真模型，如圖6 所示。

在5、20 Ω兩種不同驅動電阻條件下，MOSFET的仿真關斷過程（電路電流為8.8 A）如圖7 所示。從仿真波形可見，MOSFET開關管在5 Ω驅動電阻下，觸發脈沖關斷時，ugs迅速下降，并不存在明顯的米勒平臺，設定MOSFET工作在飽和區的時間為米勒平臺時間，此時米勒平臺的持續時間為10.37 ns，當米勒平臺結束時，開關管漏源極并未充至電源電壓。當驅動電阻為20 Ω時，米勒平臺的持續時間為44.48 ns，當米勒平臺結束時，開關管漏源極已經完全充至電源電壓。

圖6 電路仿真模型

圖7 不同驅動電阻下的仿真關斷過程

圖8 不同工作電流條件下的關斷波形

在5 Ω 驅動電阻不變情況下，MOSFET 在不同工作電流下的關斷波形如圖8 所示。電路工作電流8.8A時，雖然MOSFET 的總體關斷時間較短，但米勒平臺的持續時間為10.37 ns；而當工作電流減小至1.8 A時，總體關斷時間增長，但米勒平臺的持續時間減小至6.67 ns。

根據仿真結果分析可知：驅動電阻越小，同等條件下米勒平臺持續時間越短，這是由于同等Cgd放電電流idg條件下，小驅動電阻產生的反饋電壓越小；這種反饋作用越小，米勒平臺的電壓值以及持續時間就越小。電路中的工作電流越小，在整個關斷時間內，給寄生電容放電的電流越小，同樣會降低米勒平臺的幅值以及關斷時間；當工作電流小到一定值時，米勒平臺幾乎不存在。

3 結語

本文基于SIMPLIS軟件對功率器件MOSFET的寄生參數進行仿真，分析并驗證了MOSFET 仿真參數關斷時間的影響規律。通過建模分析以及一系列的仿真訓練，能夠加深學生對電力電子器件的理解，強化“電力電子技術”課程的教學研究，提高學生采用SIMPLIS、Matlab軟件進行仿真分析的能力，有助于激發學生的學習科研興趣。