新型mosfet的SiC SPICE模型与分析
聚晶碳化硅块
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。作为功率mosfet和其他高功率元件的活性材料，碳化硅在电子领域也并不陌生。自21世纪初以来，由于早期缺乏商业化和许多制造商的支持，SiC SPICE模型和分析技术已被研究。如今，这一切都在改变，SiC模型正从特定制造商和研究界得到更广泛的应用。
为什么行业花了这么长时间才开始为这些重要部件提供SPICE模型?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参数直接转换为SiC参数是困难的。这也是有问题的，因为有不同的SiC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模型的支持也越来越少。
尽管在寻找可靠和一致的SPICE模型方面存在困难，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。让我们来看看一种简单的方法来创建SPICE模型的SiC mosfet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
许多设备制造商仍然使用用户定义的数学方程和自定义的数学函数(。FUNC语法)和/或DDT函数来定义SiC器件的行为。研究团体也使用方程来描述设备的行为，而不是使用电路元件。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，并始终将您的模型与一些基准测试结果进行比较。
输入4H-SiC和6H-SiC mosfet SPICE模型的常用参数如下表所示:
在使用静态(DC)模拟时，这些参数是必要的。当使用与时间相关的模拟时，还需要以下参数:
SiC SPICE模型和分析
这些值可用于标准MOSFET静态和动态行为方程，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。除非你打算建立自己的SiC MOSFET模型，否则你需要从某个地方获得一个组件模型。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。也许任何晶体管电路设计中最重要的一点是确定系统的负载线，因为这将告诉你当器件跨越非线性行为时。如果您计划在线性状态下运行，则应该使用瞬态分析模拟。更高级的模拟技术load-pull对于用作功率放大器的SiC mosfet至关重要，以及谐波平衡允许您检查如何在线性和非线性制度下的任意输入频谱转换为输出。
GaN-SiC mosfet和功率放大器
与SiC或GaAs组件相比，电力电子和射频放大器领域将越来越依赖于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的带隙为3.4 eV，而GaAs的带隙为1.42 eV)，这使得更小的GaN器件可以在比GaAs更高的电压下运行。GaN中电子漂移速度在高场强时增加，而GaAs中电子漂移速度在高场强时减小。这意味着，在给定的高工作电压下，与GaAs相比，GaN可以产生更高的电流。
GaN以前被放置在GaAs衬底上，尽管这限制了GaN器件的过热。与GaAs相比，SiC具有更高的热导率(25 W/m°C，比GaAs高10倍)，因此它是高频应用GaN MOSFET功率放大器的理想衬底。当放置在SiC上时，GaN器件可以在给定的功率输出下在较低的温度下运行，这扩展了其可靠性。用于高功率射频应用的GaN和GaAs器件的比较如下所示。
SiC上GaN与GaAs的可靠性曲线
这些设备的可靠性已经得到了明确的证明，但还需要做更多的工作来为SiC上的这些设备构建一套SPICE模型。这些功率放大器型号将在电路和电路中发挥越来越重要的作用信号链模拟随着5G部署的进展。特别是，考虑到最近有消息称5G手机在夏季过热并出现故障，热模拟非常重要。所有线性和非线性行为通过正确的SPICE模型和模拟步骤，可以捕获低频SiC mosfet和高频GaN-SiC mosfet。请务必与您的组件制造商检查验证SPICE模型．
4H-SiC, 6H-SiC和GaN mosfet的电路模型
虽然大多数商业上可用的模型不是电路模型，但冒险的设计师可以从研究文献中找到大量的帮助。安杰洛夫模型被视为当前的行业标准GaN功率mosfet，尽管它包含了许多在这样的非线性模型中难以拟合的参数。2019年《电子学》(MDPI)上的一篇文章提出了一种实用的SiC mosfet模型。这些模型中的任何一个都可以作为新组件引入原理图设计软件，用于SPICE模拟。
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，你需要使用最好的PCB设计和分析软件构建您的新系统。在SiC SPICE模型和分析工具用于ORCAD的PSpice模拟器和全套分析工具从节奏是构建先进SiC和GaN PSpice模型和其他应用的理想选择。您还可以直接访问来自制造商的验证模型，以模拟电路行为。
如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．