寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)：快速開關(guān)和顛覆性的仿真環(huán)境

寬禁帶 材料實現(xiàn)了較當(dāng)前硅基技術(shù)的飛躍。 它們的大帶隙導(dǎo)致較高的介電擊穿，從而降低了導(dǎo)通電阻(RSP)。 更高的電子飽和速度支持高頻設(shè)計和工作，降低的漏電流和更好的導(dǎo)熱性有助于高溫下的工作。

安森美半導(dǎo)體提供圍繞寬禁帶方案的獨(dú)一無二的生態(tài)系統(tǒng)，包含從旨在提高強(qiáng)固性和速度的碳化硅(SiC)二極管、SiC MOSFET到 SiC MOSFET的高端IC門極驅(qū)動器。 除了硬件以外，我們還提供spice物理模型，幫助設(shè)計人員在仿真中實現(xiàn)其應(yīng)用性能，縮短昂貴的測試周期。

我們的預(yù)測性離散建模可以進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，其中可以針對系統(tǒng)級性能指標(biāo)（例如效率）進(jìn)行優(yōu)化，而不局限于優(yōu)化元器件級性能指標(biāo)，例如RDS（on）。 此外，設(shè)計人員可以放心地模擬數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件，例如開關(guān)應(yīng)用的變化溫度、總線電壓、負(fù)載電流和輸入門極電阻。

為滿足這些需求，模型必須是基于物理規(guī)律的、直觀的、可預(yù)測的，最重要的是精確的。

在IC行業(yè)中，追溯到幾十年前，采用SPICE模型的支持CAD設(shè)計的環(huán)境對于IC設(shè)計人員準(zhǔn)確預(yù)測電路性能至關(guān)重要。 通過首次正確設(shè)計縮短生產(chǎn)周期。 迄今為止，由于缺乏可靠的SPICE模型，電力電子CAD環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于IC行業(yè)。 電力電子器件模型基于簡單的子電路和復(fù)雜的非物理行為模型。仿真最終不可靠。

圖1

簡單的子電路過于基礎(chǔ)簡單，不足以充分利用所有器件性能。 在圖1中，我們顯示了一個CRSS圖，將典型的簡單模型（藍(lán)色）與更先進(jìn)的物理模型（綠色）和測量數(shù)據(jù)（紅色）進(jìn)行了比較。 顯然，您可以看到簡單模型無法捕獲非線性電容效應(yīng)，最終導(dǎo)致不準(zhǔn)確的動態(tài)開關(guān)仿真。

眾所周知，更準(zhǔn)確、更復(fù)雜的行為模型會導(dǎo)致收斂問題。 此外，此類模型通常以專有的仿真器行為語言（例如MAST?）編寫，因此無法跨多個仿真器平臺。

通常，電力電子模型既不是基于工藝技術(shù)和布局的，也不具有芯片平面布局的可擴(kuò)展性。

圖2

我們以物理可擴(kuò)展模型開發(fā)了一個適用于整個技術(shù)平臺的模型。 這就是說，它不是包含經(jīng)驗擬合參數(shù)的單個模型的庫，最終曲線適合所有產(chǎn)品。只需輸入給定產(chǎn)品的芯片平面布局參數(shù)，通過芯片擴(kuò)展，我們就可以使技術(shù)迅速發(fā)展。

在下一級水平，模型中基于物理學(xué)的工藝依賴性使我們能夠預(yù)測新的虛擬技術(shù)變化帶來的影響。 顯然，早期設(shè)計有助于從應(yīng)用角度帶動技術(shù)要求，并加快產(chǎn)品上市時間。 一方面，工藝和器件設(shè)計工程師使用限定的元器件仿真，也稱為TCAD。 另一方面，應(yīng)用和系統(tǒng)級設(shè)計人員使用基于SPICE的仿真環(huán)境。 基于工藝參數(shù)的spice模型有助于這兩方面的融合。

現(xiàn)在，我們介紹一下碳化硅功率MOSFET模型的部分特性。

圖3

圖2顯示了典型的碳化硅MOSFET橫截面，圖3顯示了子電路模型的簡化版本。

現(xiàn)在介紹該模型的一些元素。 首先，我們談?wù)勱P(guān)鍵通道區(qū)域。 在這里，我們使用著名的伯克利BSIM 3v3模型。 我們都盡可能地不做重復(fù)工作。 在這種情況下，我們嘗試建模MOSFET通道，該通道非常適合用BSIM模型進(jìn)行。 該模型是基于物理的，通過亞閾值、弱反演和強(qiáng)反演來準(zhǔn)確捕獲轉(zhuǎn)換。 此外，它具有出色的速度和收斂性，可以廣泛用于多個仿真平臺。

接下來，我們需要覆蓋由EPI區(qū)域的多晶硅重疊形成的門極至漏極臨界電容CGD。 該電容本質(zhì)上是高度非線性的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）電容器。 該電容器的耗盡區(qū)由摻雜剖面、P阱dpw之間的距離以及外延層的厚度等工藝參數(shù)復(fù)雜的依賴性控制。SPICE行為方法實施一種基于物理的模型，并將所有這些影響考慮進(jìn)去。

圖4

如圖4所示，從橫截面開始，我們想介紹芯片平面圖可擴(kuò)展性背后的一些概念和結(jié)構(gòu)?；疑珔^(qū)域是有源區(qū)。 藍(lán)色無源區(qū)與裸芯邊緣(die edges)、門極焊盤和門極通道(gate runners)相關(guān)。 基于物理幾何的衍生確定了無源區(qū)和有源區(qū)之間的分布，這是實現(xiàn)可擴(kuò)展性所需的。 我們非常關(guān)注在有源和無源區(qū)之間的邊界區(qū)域中形成的寄生電容。 一旦開始忽略布局中的寄生電容，你什么時候才會停止這種錯誤呢？ 所有被忽略的電容最終累積起來成為一個麻煩。 在這種情況下，就無法實現(xiàn)擴(kuò)展。 而我們的理念是不忽略任何電容器。

碳化硅MOSFET支持非?？斓膁V / dt，大約每納秒50至100伏，而dI / dts大約每納秒3至6安培。器件固有的門極電阻很重要，可以用來抗電磁干擾(EMI)。 圖4右邊的設(shè)計具有較少的門極通道，因此RG較高， 很好地限制了振鈴。 圖4左邊的設(shè)計有許多門極通道，因此RG較低。 左邊的設(shè)計適用于快速開關(guān)，但每個區(qū)域的RDSon也較高，因為門極通道會在有源區(qū)侵蝕掉。

圖5

現(xiàn)在，我們要談?wù)勀Ｐ万炞C。 我們首先在左側(cè)的圖5中顯示輸出電流-電壓特性。該模型準(zhǔn)確預(yù)測整個偏置范圍，包括高門極處的漂移區(qū)和漏極偏差。右圖中的精確導(dǎo)通仿真突出了模型的連續(xù)性，這對于強(qiáng)固的收斂性能很重要。 除了線性以外，我們經(jīng)常查看對數(shù)刻度，以發(fā)現(xiàn)隱藏的不準(zhǔn)確和不連續(xù)。

圖6

在圖6中，我們顯示了在寬溫度范圍內(nèi)的當(dāng)前電壓、RDSon和閾值電壓的結(jié)果。 SiC MOSFET器件具有穩(wěn)定的溫度性能，因此非常有吸引力。寬溫度范圍內(nèi)的高精度建模使設(shè)計人員可以充分利用這種特性。

圖7

前面我們介紹了對復(fù)雜器件電容的物理建模。 圖7顯示了結(jié)果。在左側(cè)，CRSS（或CGD）仿真跟蹤數(shù)據(jù)在2個數(shù)量級以上的多次變化，僅在對數(shù)刻度上可見。

圖8

開關(guān)結(jié)果具有精確建模的固有電容和器件布局寄生效應(yīng)，如圖8所示，無需額外調(diào)整模型。 這種水平的保真度使應(yīng)用設(shè)計人員有信心精確地仿真器件電路的相互影響，例如dV / dt、dI / dt、開關(guān)損耗和EMI。 門極驅(qū)動器和電源環(huán)路的相互作用可以被更進(jìn)一步地研究和優(yōu)化。

對我們來說，滿足客戶各種不同的仿真平臺要求非常重要。 因此，SPICE方法至關(guān)重要。 SPICE不局限于某個專用平臺或系統(tǒng)，我們僅使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件中的最小公分母結(jié)構(gòu)，從而避免依賴于仿真器的專有方案。

安森美半導(dǎo)體提供一系列先進(jìn)的寬禁帶器件和仿真環(huán)境。 完整的產(chǎn)品陣容形成一個生態(tài)系統(tǒng)，使客戶能夠充分利用新的、令人興奮的寬禁帶應(yīng)用和系統(tǒng)。