适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

赵　波，周　哲，徐艳明，李　虹，郑琼林

（1.全球能源互联网研究院，北京102209；2.北京交通大学电气工程学院，北京100044）

适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

赵波1，周哲1，徐艳明2，李虹2，郑琼林2

（1.全球能源互联网研究院，北京102209；2.北京交通大学电气工程学院，北京100044）

为了基于PSpice电路对电动汽车DC/DC变换器中的碳化硅（SiC）MOSFET的工作特性进行实时准确地仿真，针对SiC MOSFET提出了一种新型的电压控制电流源型VCCST（voltage-controlled current source type）PSpice仿真模型。首先，为了获得SiC MOSFET准确的静态特性建立了电压控制电流源作为SiC MOSFET的内核，以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性；然后，为了获得SiC MOSFET准确的动态特性，建立了基于电压控制电流源与恒定电容的栅漏电容（CGD）子电路模型，所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在简化参数提取方法的同时，能够满足模型准确性的要求；最后，建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型应用于Boost变换器进行仿真和实验，并对SiC MOSFET的特性进行测试。测试结果验证了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的准确性和实时性，从而为SiC MOSFET在电动汽车DC/DC变换器中的设计和应用提供了便利。

电动汽车；SiC MOSFET；PSpice模型

引言

随着绿色能源概念的提倡和推广，传统汽车的排污问题已引起了社会的广泛关注。因此，以环境污染小，零化石能源依赖以及节能减排为特点的电动汽车［1］，成为了当今的研究热点。为了实现电路输出电压的调节，输出稳定的直流电压，需要DC/DC变换器进行连接［2］。电动汽车用DC/DC变换器按输入输出有无电气隔离分为隔离式与非隔离式两类。非隔离式DC/DC变换器，具有结构简单、元器件少、体积小的优势。但是在大功率场合中，由于硬开关模式导致开关损耗过大，限制了DC/DC变换器的效率。软开关技术的应用是通常的解决方案，但是在提高效率的同时，增加了控制策略的复杂性和难度［3-5］。

近年来，宽禁带半导体材料的诞生，促进了新型电力电子器件的巨大发展。以碳化硅（SiC）材料为衬底的MOSFET已逐渐市场化，相比于硅（Si）MOSFET，导通电阻更小，开关速度更快，从而在电动汽车DC/DC变换器中，具有更大的性能优势［6-7］。为了更好地评估SiC MOSFET的器件特性，优化DC/DC变换器的设计过程，需要建立精确实时的SiC MOSFET电路仿真模型。

目前，基于SiC MOSFET的仿真模型的研究已逐步展开。其中文献［8］提出的SiC MOSFET PSpice仿真模型，能够准确地描述SiC MOSFET的静态特性和动态特性，对于SiC MOSFET模型的建立具有指导意义。但是，该模型对输出特性准确性的验证只探究了漏源电压VDS＜6 V的范围。此外，由于SiC MOSFET的开关速度快，随电压变化的非线性栅漏电容CGD对SiC MOSFET的动态特性起着重要的作用。因此，CGD建模是SiC MOSFET动态特性的关键。因此，基于上述模式本文提出一种新型的SiC MOSFET电压控制电流源型VCCST （voltage-controlled current source type）PSpice仿真模型。

1　SiC MOSFET模型描述

在文献［8］的CGD模型中，如图1所示，当VGD＜0时，CGD为变电容Cg，由两个二极管D1和D2等效，当VGD＞0时，CGD为恒定电容CGDMAX。其中，Cg模型的准确性取决于正确匹配二极管D1和D2的结电容。然而，D1和D2的结电容值的确定主要依赖经验，缺乏系统而准确的方法。

图1　SiC MOSFET CGD模型Fig.1　CGDmodel of SiC MOSFET

SiC MOSFET基本结构如图2所示，本文提出的SiC MOSFET VCCST PSpice等效电路模型如图3所示。

图2　SiC MOSFET基本结构截面Fig.2　Cross section of basic structure SiC MOSFET

图3　本文SiC MOSFET VCCST PSpice模型Fig.3 SiC MOSFET VCCST PSpice model proposed in this paper

图中，MN为VGS和VDS控制的电压控制电流源，用来描述SiC MOSFET的I-V特性；DN为SiC MOSFET体二极管，等效MOSFET中的p区与n-外延层的pn结效应；CGS为恒定电容，等效SiC MOSFET的栅源电容；Ig为电压控制电流源，CGDM为恒定电容，Ig与CGDM并联的子电路等效SiC MOSFET的栅漏电容；RG为恒定电阻，等效SiC MOSFET的栅极电阻。

2　SiC MOSFET静态特性建模

本文采用压控电流源模型MN建立SiC MOSFET的静态模型［9］。

当VGS＜VTH时，MN的表达式为

当VDS＜VDsat时，MN的表达式为

当VDS≥VDsat时，MN的表达式为

式中：姿为沟道长度调制系数；K和m为控制线性区曲线特性的参数；B和n为控制饱和区曲线特性的参数；VTH为阈值电压。为了保证MN模型的准确性，最关键的是对MN模型中参数的提取。现有参数提取方法是基于I-V曲线的数据点，根据一系列的等式计算得出［9］。由于文献［9］正文中所给出的参数计算方法中采样点个数过少，导致参数的精度对SiC MOSFET静态 I-V曲线中采样点的位置具有敏感性，从而需要进行多次采样点选取和方程式计算，最后选取最吻合的一组参数作为结果。另外，已有的仿真建模得出的输出特性曲线只在VDS较小时，如当VDS＜6 V时，与实际测量的曲线吻合；当VDS＞6 V，曲线逐渐由线性区进入饱和区时，仿真得到的曲线与实际测量曲线具有较大误差［9-11］。本文为弥补原有参数提取方法的不足，基于datasheet所提供的转移特性曲线和输出特性曲线，增加了采样点的个数，并借助于数学拟合软件（1stopt）进行自动参数提取，避免了采样点选取的随机性和个别采样点对参数值的影响，保证了所提取参数的精确性。

体二极管 DN模型利用 PSpice的建模工具Model Editor可以得到。

3　SiC MOSFET动态特性建模

SiC MOSFET的动态特性主要指其开关特性，而SiC MOSFET的结电容在开通和关断过程中具有重要意义。SiC MOSFET有以下3个结电容：

（1）栅源电容CGS：等效SiC MOSFET的金属氧化层电容，其容值不随VGS的变化而改变，因此CGS的容值为常数；

（2）漏源电容CDS：等效SiC MOSFET的耗尽层电容，由于耗尽层的宽度随着其两端电压的变化而改变，因此CDS的容值随VDS的变化而改变；

（3）栅漏电容 CGD：等效氧化层电容 Coxd与耗尽层电容Cgdj串联。因此CGD的容值随VGD的变化而改变。

综上，由于CDS和CGD是变电容，单纯将CDS和CGD设置为恒定值不能精确反应SiC MOSFET动态特性。因此，需要对CDS和CGD进行建模。由于体二极管DN的结电容与CDS均为SiC MOSFET的p区与n-外延层的pn结处的耗尽层电容，在设置体二极管DN模型的结电容时，同时考虑CDS的容值随VDS的变化，而不重复设置CDS为变值电容；因此，对SiC MOSFET非线性栅漏电容 CGD建模是 SiC MOSFET动态特性建模的关键。

本文所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型的CGD模型中，Ig为电压控制电流源，用来等效VGD≤0时的CGD。根据公式Ig=CgdVGD/dt，变电容Cg可以通过数学表达式表示。CGDM为恒定电容，用来等效VGD＞0时的CGD。由于在图1中，VGD≤0时的CGD由二极管D1与D2的结电容等效，因此，Cg的数学表达式可以由二极管的电荷方程进行推导。由于当VGD≤0时，D1与D2承受反向电压，流过D1与D2的电流非常小，可以忽略不计，因此D1与D2的结电容CJO可以表示为

定义a=QD（m-1）/φD，b=φD，c=1-m，则Cg可以可表示为

由于所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型中，CGDM与Cg并联，从而有CGD=CGDM+Cg。为了消除CGDM在VGD≤0时对Cg的影响，应在式（5）的基础上减去CGDM。并且，为了使式（5）在VGD=0时仍然有意义，Cg的表达式分母不能为0。同时，CGD电容在VGD=0和VGD＞0时不能突变。因此，为了获得更加精确的CGD拟合函数，优化式（5）得

最后，将开关函数k（VGD）替代VGD，使得变电容Cg只在VGD≤0时起作用，即

上述为本文所提出的简化子电路模型CGD的数学建模，参数提取方法和MN相似，CGD的拟合函数为

4　SiC MOSFET VCCST PSpice模型验证

本文以1 200 V/33 A的SiC MOSFET CMF201 20 D为例，建立SiC MOSFET VCCST PSpice模型。

4.1静态特性验证

本文所验证的SiC MOSFET的静态特性主要为转移特性和输出特性。仿真与datasheet的比较如图4与图5所示。

图4　T=25℃转移特性曲线与datasheet对比Fig.4　Transfer characteristics comparison between simulation and datasheet in 25℃

图5　T=25℃输出特性仿真曲线与datasheet对比Fig.5 Output characteristics comparison between simulation and datasheet in 25℃

由此可以看出，本文提出的SiC MOSFET VCCST PSpice模型的转移特性曲线在VGS＝18 V和输出特性曲线在VDS＝20 V以内与datasheet提供的转移特性曲线和输出特性曲线吻合。

4.2动态特性验证

4.2.1CGD子电路模型原理仿真验证

为了验证简化的CGD子电路的工作原理与其开关模型是否一致，建立如图6所示的测试电路。图中的CGD模块是根据图7中的程序生成的CGD子电路模型。电压源VGD为斜坡输入，且斜率为1，即dVGD/dt=1。前40 s由40 V递减到0 V，后200 s由0 V递减到-200 V。因此时间t从0 s增加到240 s时，VGD从40 V递减到-200 V。

由iGD=CGDdVGD/dt可知，当dVGD/dt=1时，流过CGD的电流iGD即为CGD，从而仿真得到的iGD-t曲线即为CGD-VGD曲线，如图8所示。

由图8可知，VGD≤0时，CGD随着VGD绝对值的增大逐渐减小；VGD＞0时，CGD切换到电容CGDM保持不变。因此，本文提出的CGD子电路模型可以较准确地描述SiC MOSFET CGD随VGD的变化［6］。

4.2.2动态特性仿真和实验验证

为验证所建立的动态模型的准确性，本文搭建Boost变换器作为测试电路对SiC MOSFET的动态特性进行测试。Boost电路原理如图9所示，Boost实验平台如图10所示，仿真与实验参数如表1所示。

在室温条件下，进行SiC MOSFET的动态特性测试，表2列出了SiC MOSFET CMF20120D的仿真与实验的上升时间和下降时间的对比结果，误差在15%以内。

开通与关断的仿真波形与实验测试的波形对比如图11所示。

图6　CGD子电路模型原理测试电路Fig.6　Test circuit of CGDsub-circuit model

图7　CGD子电路模型编程程序Fig.7　Procedures of CGDsub-circuit model

图8　CGD随VGD变化的仿真波形Fig.8　Simulation waveforms of CGDwith the variation of VGD

图9　Boost测试电路拓扑Fig.9 Boost test circuit topology

图10　Boost测试电路实验平台Fig.10　Boost test circuit experiment platform

观察图11可知，SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型能够较准确反映SiC MOSFET开通与关断过程的上升与下降瞬态。但是，实验的开通与关断波形相比于仿真，振荡更为明显。这是由于SiC MOSFET与电路中的其他元件 （如SiC二极管、线路寄生电感、寄生电容等）产生谐振造成的。要想精确仿真出这种振荡，需要对电路中的所有元件进行精确的建模，而这部分工作超出了SiC MOSFET器件自身的建模范围。SiC MOSFET的开关特性是评估动态特性的主要因素，忽略电路杂散参数造成的振荡，可以认为所建立的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的动态特性与实际基本一致。

表1　Boost电路仿真和实验参数Tab.1　Simulation and experimental parameters of Boost circuit

表2　实验与仿真参数对比Tab.2　Comparison between experiment and simulation parameters

图11　仿真与实验波形对比Fig.11　Comparison between simulation and experiment

5　结语

本文提出了一种新型的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型。通过建立表现SiC MOSFET静态特性的电压控制电流源，实现了SiC MOSFET仿真模型其输出特性曲线在 VDS扩展到20 V时与datasheet的吻合。同时避免了对器件物理层面的深入探索，达到了模型精确性与方法通用性的一致。此外，本文提出的基于电压控制电流源的非线性CGD子电路，精确地描述了SiC MOSFET在开关过程中CGD随VGD的变化，此子电路建模方法也具有通用性。通过搭建Boost测试电路，对SiC MOSFET在开通和关断时刻的动态特性进行了实验测试。根据仿真和实验结果的对比，验证了本文所提出的SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的正确性，为适用于电动汽车DC/DC变换器的SiC MOSFET PSpice仿真模型的建立提供了一种新的思路。

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Study on PSpice Model of SiC MOSFETs Applied in Electric Vehicle

ZHAO Bo1，ZHOU Zhe1，XU Yanming2，LI Hong2，Trillion Q ZHENG2
（1.Global Energy Interconnection Research Institute，Beijing 102209，China；2.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to describe the working characteristics of SiC MOSFETs in the electric vehicle DC/DC converters accurately in simulation，a novel voltage-controlled current source type（VCCST）PSpice model is proposed in this paper. First，to obtain good static characteristics curves，a voltage controlled current source is applied as the core of the model which is able to describe transfer characteristics and output characteristics accurately.Then，to obtain good dynamic characteristics curves，the voltage dependency of gate-drain capacitor（CGD）is realized by establishing a sub-circuit containing a voltage-controlled current source and a constant capacitor.SiC MOSFET VCCST PSpice model has the advantage in accuracy as well as simplicity to extract the parameters needed.Simulation and experimental results tested on a Boost converter prove the correctness and effectiveness of SiC MOSFET VCCST PSpice model，thus provides convenience to the electric vehicle DC/DC converter design.

electric vehicle；SiC MOSFET；PSpice model

赵波

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.21

TM 461.5

A

2015-12-10 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51577010）；北京市自然科学基金资助项目（3142015）；国网科技资助项目（5355DD130003）；中央高校基本科研业务费资助项目（2015 JBM084） Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577010）；the Natural Science Foundation of Beijing，China（3142015）；the State Grid Corporation Science and Technology Project（5355DD130003）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（2015JBM084）

赵波（1977-），男，博士，高级工程师，研究方向：电力电子、储能，E-mail：zhaobo @geiri.sgcc.com.cn。

周哲（1987-），男，硕士，助理工程师，研究方向：电力电子、储能，E-mail：zhouzhe @geiri.sgcc.com.cn。

徐艳明（1990-），女，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：13121 487@bjtu.edu.cn。

李虹（1980-），女，通信作者，博士，副教授，研究方向：电力电子与电气传动，E-mail：hli@bjtu.edu.cn。

郑琼林（1964-），男，博士，教授，研究方向：电力电子与电气传动，E-mail：tqzhen g@bjtu.edu.cn。