一种SiCMOSFETSPICE行为模型构建方法和装置

本发明属于电路建模技术领域，尤其涉及一种基于参数提取的sicmosfetspice行为模型构建方法和装置、计算机可读介质。

背景技术：

随着sic功率器件越来越多地应用在电力电子电路中，需要对它们的特性进行研究，使其更好地发挥性能优势，并且为电路的分析和设计提供一定的参考，因此相应的仿真模型是必须的。但是由于宽禁带半导体器件与si器件的巨大差异，目前己经成熟的si仿真模型并不适用，同时很多sic器件厂商没有提供相应的仿真模型，尤其是sic功率mosfet，因此需要对sic功率mosfet的spice建模进行研究。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于参数提取的sicmosfetspice行为模型构建方法和装置，使用一种更加连续方程描述sicmosfet静态特性，并且考虑低温效应，对sicmosfet中非线性元器件的等效电路精确描述。

为了实现上述目的，本发明技术方案包括以下步骤：

一种sicmosfetspice行为模型构建方法，包括：

步骤1、采用沟道电流模型ids表征sicmosfet内核；

步骤2、采用受控源对非线性栅漏电容cgd的电流进行建模，将sicmosfet内核的非线性栅漏电容cgd的电流作为非线性栅漏电容cgd微分环节和随电压非线性变化的函数f(v)的乘积；其中，非线性栅漏电容cgd微分环节可以通过常值普通线性电容c0实现，随电压非线性变化的函数f(v)可以通过电压控制电流源实现；

步骤3、将sicmosfet内核的非线性漏源电容cds表征为压控电流源gd、导通电阻rd和结电容cj；采用gd和rd定义二极管的静态特性，采用cj描述二极管的动态特性；其中，cj称为sicmosfet的漏源电容cds模型。

作为优选，所述沟道电流模型ids为：

其中，

id_vth＝l·{1+tanh[a1·(vgs+a2)²+a3·(vgs+a4)]}，

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6为转移特性拟合参数，m、h、n、i、o、p为输出特性拟合参数，vgs为栅源极电压，id_vth为漏源极电流，vds为漏源极电压，id_out为漏源极电流，l1、l2、l3、l4为拟合的温度特性参数。

作为优选，所述的非线性栅漏电容cgd的方程为：

其中，

c＝c0·f(v)，

其中，c0为常值普通线性电容，i0为c0上感应出的电流，egd为电压控制电流源，igd为等效非线性电容的电流，l11、l12、l13、l14、l15、l16、l17为拟合的栅漏电容cgd与栅漏电压vgd关系的相关参数。

作为优选，所述非线性漏源电容cds为：

其中，cjo为零偏pn结电容，m为结梯度系数，vj为结电位，fc为正偏耗尽电容系数，tt为渡越时间。

其中，l5、l6、l7、l8、l9、l10为拟合的温度特性参数。

作为优选，还包括：步骤4、优化模型参数：

根据沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程和相应的数据在拟合软件中进行拟合，得到拟合数据结果；

根据得到的拟合数据结果对所述沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性栅漏电容cds的方程进行相应的优化调整方程，以得到sicmosfetspice行为模型的最优拟合数据结果。

本发明还提供一种sicmosfetspice行为模型构建装置，包括：

第一构建模块，用于采用沟道电流模型ids表征sicmosfet内核；

第二构建模块，采用受控源对非线性栅漏电容cgd的电流进行建模，将sicmosfet内核的非线性栅漏电容cgd的电流作为非线性栅漏电容cgd微分环节和随电压非线性变化的函数f(v)的乘积；其中，非线性栅漏电容cgd微分环节可以通过常值普通线性电容c0实现，随电压非线性变化的函数f(v)可以通过电压控制电流源实现；

第三构建模块，用于将sicmosfet内核的非线性漏源电容cds表征为压控电流源gd、导通电阻rd和结电容cj；采用gd和rd定义二极管的静态特性，采用cj描述二极管的动态特性；其中，cj称为sicmosfet的漏源电容cds模型。

作为优选，所述沟道电流模型ids为：

其中，

id_vth＝l·{1+tanh[a1·(vgs+a2)²+a3·(vgs+a4)]}，

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6为转移特性拟合参数，m、h、n、i、o、p为输出特性拟合参数，vgs为栅源极电压，id_vth为漏源极电流，vds为漏源极电压，id_out为漏源极电流，l1、l2、l3、l4为拟合的温度特性参数。

作为优选，所述的非线性栅漏电容cgd的方程为：

其中，

c＝c0·f(v)，

其中，c0为普通线性电容，i0为c0上感应出的电流，egd为电压控制电流源，igd为等效非线性电容的电流，l11、l12、l13、l14、l15、l16、l17为拟合的栅漏电容cgd与栅漏电压vgd关系的相关参数。

作为优选，所述非线性栅漏电容cds为：

其中，cjo为零偏pn结电容，m为结梯度系数，vj为结电位，fc为正偏耗尽电容系数，tt为渡越时间。

其中，l5、l6、l7、l8、l9、l10为拟合的温度特性参数。

作为优选，还包括：模型参数优化模块，用于根据沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程和相应的数据在拟合软件中进行拟合，得到拟合数据结果；根据得到的拟合数据结果对所述沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性栅漏电容cds的方程进行相应的优化调整方程，以得到sicmosfetspice行为模型的最优拟合数据结果。

本发明的sicmosfetspice行为模型构建方法和装置，使用更加连续方程描述sicmosfet静态特性，并且考虑低温效应，对sicmosfet中非线性元器件的等效电路精确描述。本发明建立的行为模型仿真结果与双脉冲测试电路在不同温度下的实验结果进行对比，验证了模型的准确性。本发明建立的模型与参照数据手册对比表明了该建模方法的和结果的一致性。本发明可以为包含了sicmosfet器件复杂的电力电子系统仿真方法提供依据。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得更加明显和容易理解，其中：

图1为本发明sicmosfetspice行为模型构建方法的流程图；

图2为本发明sicmosfetspice行为模型构建装置的结构示意图；

图3为sicmosfet的等效电路模型示意图；

图4为sicmosfetspice行为模型的建模方法参数提取流程图；

图5～图8分别为输出特性、转移特性、c-v特性、栅电荷特性曲线对比图；

图9为双脉冲测试电路原理图；

图10为不同温度下仿真与实验的vds与ids曲线对比图，其中，

(a)为t＝25℃和vdd＝600v时，spice模型仿真与实验的vds与ids曲线对比示意图；

(b)为t＝75℃和vdd＝400v时，spice模型仿真与实验的vds与ids曲线对比示意图；

(c)为t＝150℃和vdd＝400v时spice模型仿真与实验的vds与ids曲线对比示意图；

图11为模型仿真与安森美公司型号为(nth4l040-n120sc1)的转移特性、输出特性曲线对比图；其中，

(a)为安森美公司型号为nth4l040n120sc1与优化spice模

型仿真的转移特性对比示意图；

(b)为安森美公司型号为nth4l040n120sc1与优化spice模型仿真的输出特性对比示意图；

图12为spice模型仿真与英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)的转移特性、输出特性曲线对比图；其中，

(a)为spcie模型仿真与英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)的转移特性示意图；

(b)为spice模型仿真与英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)的输出特性示意图；

图13为spice模型仿真与英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)和安森美公司型号为(nth4l040-n120sc1)的c-v特性曲线对比图。其中，

(a)为spice模型仿真与英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)的c-v特性曲线对比示意图；

(b)为spice模型仿真与安森美公司型号为(nth4l040n120s-

c1)的c-v特性曲线对比示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明进行具体阐述。

如图1所示，本发明提供一种sicmosfetspice行为模型构建方法，包括：

步骤s1、采用沟道电流模型ids表征sicmosfet内核；

步骤s2、采用受控源对非线性栅漏电容cgd的电流进行建模，将sicmosfet内核的非线性栅漏电容cgd的电流作为非线性栅漏电容cgd微分环节和随电压非线性变化的函数f(v)的乘积；其中，非线性栅漏电容cgd微分环节可以通过常值普通线性电容c0实现，随电压非线性变化的函数f(v)可以通过电压控制电流源实现；

步骤s3、将sicmosfet内核的非线性漏源电容cds表征为压控电流源gd、导通电阻rd和结电容cj；采用gd和rd定义二极管的静态特性，采用cj描述二极管的动态特性；其中，cj称为sicmosfet的漏源电容cds模型。

进一步，所述沟道电流模型ids为：

其中，

id_vth＝l·{1+tanh[a1·(vgs+a2)²+a3·(vgs+a4)]}，

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6为转移特性拟合参数，m、h、n、i、o、p为输出特性拟合参数，vgs为栅源极电压，id_vth为漏源极电流，vds为漏源极电压，id_out为漏源极电流，l1、l2、l3、l4为拟合的温度特性参数。

进一步，所述的非线性栅漏电容cgd的方程为：

其中，

c＝c0·f(v)，

其中，c0为普通线性电容，i0为c0上感应出的电流，egd为电压控制电流源，igd为等效非线性电容的电流，l11、l12、l13、l14、l15、l16、l17为拟合的栅漏电容cgd与栅漏电压vgd关系的相关参数。

进一步，所述非线性漏源电容cds为：

其中，cjo为零偏pn结电容，m为结梯度系数，vj为结电位，fc为正偏耗尽电容系数，tt为渡越时间。

其中，l5、l6、l7、l8、l9、l10为拟合的温度特性参数，cjo为零偏pn结电容，m为结梯度系数，vj为结电位，fc为正偏耗尽电容系数，tt为渡越时间。

进一步，还包括：步骤4、优化模型参数：

根据沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程和相应的数据在拟合软件中进行拟合，得到拟合数据结果；

根据得到的拟合数据结果对所述沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性栅漏电容cds的方程进行相应的优化调整方程，以得到sicmosfetspice行为模型的最优拟合数据结果。

如图2所示，本发明还提供一种sicmosfetspice行为模型构建装置，包括：

第一构建模块，用于采用沟道电流模型ids表征sicmosfet内核；

第二构建模块，采用受控源对非线性栅漏电容cgd的电流进行建模，将sicmosfet内核的非线性栅漏电容cgd的电流作为非线性栅漏电容cgd微分环节和随电压非线性变化的函数f(v)的乘积；其中，非线性栅漏电容cgd微分环节可以通过常值普通线性电容c0实现，随电压非线性变化的函数f(v)可以通过电压控制电流源实现；

第三构建模块，用于将sicmosfet内核的非线性漏源电容cds表征为压控电流源gd、导通电阻rd和结电容cj；采用gd和rd定义二极管的静态特性，采用cj描述二极管的动态特性；其中，cj称为sicmosfet的漏源电容cds模型。

进一步，还包括：模型参数优化模块，用于根据沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程和相应的数据在拟合软件中进行拟合，得到拟合数据结果；根据得到的拟合数据结果对所述沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性栅漏电容cds的方程进行相应的优化调整方程，以得到sicmosfetspice行为模型的最优拟合数据结果

实施例1：

以罗姆公司型号为sct3030klhr的sicmosfet作为具体的实例。图3是本发明实施例的基于参数提取的sicmosfet等效电路模型示意图。等效电路模型由电极(包括源极、栅极和漏极)、栅漏电容cgd、栅源电容cgs、沟道电流ids、漏源电容cds、体二极管dbody、内部栅极电阻rg、内部漏极电阻rd、内部源极电阻rs组成。

其中，在本发明的一个实例中，提取模型参数，包括：采取数据提取软件将sicmosfet数据手册中的不同温度下的转移特性曲线、输出特性曲线、c-v特性曲线、栅电荷特性曲线；体二极管dbody的参数可以从pspice中的模型工具(模型编辑器)中自动提取，并且可以自动提取；根据所述的沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程和相应的数据在拟合软件中进行拟合，得到拟合数据结果；根据得到的拟合数据结果对所述的沟道电流模型ids的方程、非线性栅漏电容cgd的方程、非线性漏源电容cds的方程进行相应的优化调整方程，以得到所述模型的最优拟合数据结果。

图4是本发明实施例的基于参数提取的sicmosfetspice行为模型的建模方法参数提取流程图。

值得提出的是，数据提取软件和曲线拟合软件可以由本领域技术人员根据具体情况选择合适的软件，在此不做具体的限制。

在本发明的一个实例中，为了验证本发明实例得到的sicmosfetspice模型的静态特性，将模型仿真与数据手册提供的输出特性、转移特性、c-v特性、栅电荷特性曲线进行对比图，分别如图5、图6、图7、图8所示，可以看出模型仿真结果与数据手册提供的曲线吻合的良好。

在本发明的一个实例中，为了验证本发明实例得到的sicmosfetspice模型的动态特性，将模型仿真结构与双脉冲实验结果进行对比。模型放置在双脉冲电路原理图中，如图9所示。选择罗姆公司型号为sct3030klhr(m1，m2)作为双脉冲测试电路中的开关功率器件，测试电路中考虑寄生电感l1、l2和寄生电容c。值得注意的是，rg是外栅电阻。图10为不同温度下仿真与实验的vds与ids曲线对比。实验结果表明，模型仿真结果与实验结果吻合较好。

在本发明的一个实例中，为了验证本发明实例的通用性，选取了英飞凌公司型号为(imbf170r450m1)和安森美公司型号为(nth4l040-n120sc1)来验证模型的准确性。模型仿真结果与两个器件的转移特性和输出特性曲线对比，如图11和图12所示。模型仿真结果与两个器件的的c-v特性曲线对比，如图13所示。仿真曲线与数据手册曲线吻合良好。这使得本发明的sicmosfetspice模型能够适用于不同类型的sicmosfet器件。

以上仅为本发明最佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示所做出的等同替换和显而易见所得到的方案，应当包含在本发明保护范围内。