新型mosfet SiC SPICE模型及分析
多晶碳化硅块
从磨料到通用陶瓷，碳化硅(SiC)自1893年开始生产，在日常生活中无处不在。SiC作为功率mosfet和其他高功率元件的有源材料，在电子领域也并不陌生。自2000年初以来，由于早期缺乏商业化和许多制造商的支持，SiC SPICE模型和分析技术已经被研究。如今，这一切都在改变，SiC型号正从特定的制造商和研究团体中更广泛地获得。
为什么汽车行业花了这么长时间才开始为这些重要部件提供SPICE型号?SiC和GaN-SiC组分都表现出与Si相反的有趣的材料特性，并且从Si到SiC参数的直接转换是困难的。这也是一个问题，因为SiC有不同的变体(4H-SiC, 6H-SiC和无意掺杂的SiC)。此外，生产这些组件的制造商越来越少，因此对SPICE型号的支持也越来越少。
尽管寻找可靠和一致的SPICE模型存在困难，但研究界在为基于sic的组件开发SPICE模型方面发挥了领导作用。让我们看看一个简单的方法来创建SiC mosfet的SPICE模型，用于功率转换，放大器和其他电力电子应用。
定义SiC mosfet的SPICE模型
许多设备制造商仍在使用带有定制数学函数的用户定义数学方程(。FUNC语法)和/或DDT函数来定义SiC设备的行为。研究团体也在使用方程来描述设备的行为，而不是使用电路组件。虽然这些模型在模拟中较慢，但它们适用于工作点分析、直流扫描和瞬态分析模拟。在AC中工作时要小心，总是将您的模型与一些基准测试结果进行比较。
4H-SiC和6H-SiC mosfet的SPICE模型中需要输入的通用参数如下表所示:
当使用静态(DC)模拟时，这些参数是必要的。当处理与时间相关的模拟时，还需要以下参数:
SiC SPICE模型与分析
这些值可以用于静态和动态行为的标准MOSFET方程中，尽管有些模型在某些情况下会简化相关方程。某些子电路模型的特定方面和输入是高度特定于制造商的。看看这篇IEEE的文章有关使用这些组件的分析模型的更多信息。
并非所有SPICE模型库都将包含专用SiC mosfet的组件模型。除非你计划建立自己的SiC MOSFET模型，否则你需要从某个地方获得组件模型。值得庆幸的是，SiC MOSFET制造商正在花时间为他们的组件开发、测试和发布这些模型。如果您无法获得SiC MOSFET的验证模型，您仍然可以使用标准SPICE代码创建自己的模型。
在模拟要求方面，这些mosfet不需要比任何其他放大器更复杂的模拟。也许在任何晶体管的电路设计中最重要的一点是为你的系统确定负载线，因为这将向你展示当设备跨越到非线性行为。如果您计划在线性系统中运行，您应该验证您的输出是无失真的瞬态分析模拟。更先进的模拟技术load-pull对于用作功率放大器的SiC mosfet是至关重要的，并且谐波平衡允许您检查在线性和非线性系统中如何将任意输入谱转换为输出谱。
GaN-SiC mosfet和功率放大器
与SiC或GaAs组件相比，功率电子和射频放大器世界将越来越依赖于GaN-SiC组件。与GaAs相比，GaN能在更高频率下提供更高的带宽，并能承受更高的通道温度。GaN也是一种宽带隙半导体(GaN带隙为3.4 eV, GaAs为1.42 eV)，这使得较小的GaN器件可以在比GaAs更高的电压下运行。在高场强条件下，GaN中的电子漂移速度增大，而GaAs中的电子漂移速度减小。这意味着，在给定的高工作电压下，GaN比GaAs能产生更高的电流。
GaN以前被放置在GaAs基板上，尽管这限制了GaN器件的过热。由于SiC比GaAs具有更高的导热系数(25 W/m°C，比GaAs高10倍)，它作为GaN MOSFET功率放大器的理想衬底，用于高频应用。当放置在SiC上时，GaN器件可以在给定功率输出的较低温度下运行，这扩展了它们的可靠性。下面是用于高功率射频应用的GaN和GaAs器件的比较。
GaN对SiC和GaAs的可靠性曲线
这些设备的可靠性已经得到了明显的证明，但要在SiC上为这些设备构建一套SPICE模型，还需要做更多的工作。这些功率放大器模型将在电路和电路中变得越来越重要信号链模拟随着5G的推广进展。特别是，考虑到最近5G手机在夏季出现过热和故障的新闻，热模拟非常重要。所有线性和非线性行为采用正确的SPICE模型和仿真步骤，可以捕获较低频率的SiC mosfet和较高频率的GaN-SiC mosfet。请务必与您的部件制造商进行检查香料验证模型．
4H-SiC, 6H-SiC和GaN mosfet的电路模型
尽管大多数商业上可以买到的模型不是电路模型，冒险的设计师可以从研究文献中找到很多帮助。安杰洛夫模型被认为是目前的行业标准氮化镓功率场效应管，尽管它包含了一些难以在这种非线性模型中拟合的参数。《电子学》(MDPI) 2019年的一篇文章提出了一种实用的碳化硅mosfet模型。这些模型中的任何一个都可以作为新的组件引入到方案设计软件中，以便在SPICE模拟中使用。
你的下一个高频电力电子系统将需要一个或多个SiC或GaN组件，你将需要使用最好的PCB设计和分析软件来构建新系统。SiC SPICE模型和分析工具PSpice模拟器ORCAD和全套的分析工具从节奏是建造先进的SiC和GaN PSpice模型和其他应用的理想选择。您还可以直接从制造商那里获得验证过的模型来模拟电路行为。
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