使用高级特性和建模技术模拟宽带隙功率电路

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-13 16:25:29 | 615 次阅读

  概述电源电路设计中出现的挑战
  预计 WBG 功率器件将带来诸多好处,尤其是显著提高功率效率。这在汽车和工业应用中尤其如此,因为降低能量损耗可以提高转换效率。此外,高频操作可减小直流链路电容器和电感器等外围元件的尺寸,从而减小功率转换系统的尺寸。此外,WBG 器件能够在较高温度下工作,从而减少或消除了对大型、重型冷却系统的需求。
  实际上,实现这些优势的道路上存在许多障碍。首先是由于 WBG 器件的速度而带来的电路设计挑战:目前,它们的速度比传统硅 (Si) 器件快 10 到 100 倍。尽管电源转换电路的开关频率不是特别高,但开关波形中的高频分量很容易引起意外的电磁干扰 (EMI)。
  虽然 EMI 也是 Si 基电源电路的一个问题,但在使用 WBG 器件时更难解决。原因:更快的器件会产生更快的电压变化,可能导致场效应晶体管 (FET) 的误导通。如果发生这种情况,产生的浪涌电流将在器件中产生热量。最坏的情况是原型设计灾难性故障。在电路中,杂散电容或杂散电感等寄生因素也会引起问题。例如,快速信号变化(例如 dv/dt 或 di/dt)会触发与杂散电感和电容相关的本振(即振铃)。
  如果设备建模软件能够准确预测高速 WBG 设备的行为,那么它就可以解决这些问题。遗憾的是,目前可用的电路仿真软件都无法准确模拟 WBG 设备执行的高速功率转换。
  新型模拟与传统模拟的比较
  为了满足这一需求,我们组织开发了一种新的方法来建模和模拟 WBG 设备。DC-DC 转换器的模拟将说明新方法相对于传统方法的优势。

  图 1a 显示了 DC-DC 转换器电路的模拟结果(红色)与测量响应(蓝色)的关系。模拟是使用 SPICE 软件和从制造商网站下载的传统设备模型进行的。所有四条迹线都显示偏差 dv/dt 和 di/dt:存在明显的时间偏移、峰值电流差异和振铃现象。相比之下,图 1b 显示了使用新方法产生的结果:模拟迹线和测量迹线之间的一致性更高。

  图 1a:传统模拟与测量结果的比较

  所有四条轨迹都显示出偏差 dv/dt 和 di/dt:存在明显的时间偏移、峰值电流差异和振铃现象。相比之下,图 1b 显示了使用新方法产生的结果:模拟轨迹和测量轨迹之间的一致性更高。

 
  图1b:新方法与相同测量结果的比较。
  实现 WBG 设备的更佳模拟
  器件模型是每个电路仿真的基本要素。然而,目前尚无准确表示功率器件行为的标准模型。
  在器件模型的任何实际应用中,可微分的数学表示都是可取的,原因有二:它能够加快仿真的收敛速度,并且对于无法访问物理参数的电路设计人员特别有用。对于 Si 器件和SiC MOSFET,是德科技开发了一种利用数学方程的模型。这增强了在各种条件下忠实表示器件行为的能力。如以下部分所示,这些方程是从对真实器件的测量中得出的
  获得高功率 IV 曲线设备

  模型通常使用 IV 曲线和 CV 曲线创建。对于电源电路,IV 曲线是更好的选择。即便如此,使用曲线追踪器(通过其集成的 LCR 表)测量的 IV 曲线仅覆盖有限的区域,无法捕捉具有电感负载的电源电路的开关轨迹(图 2a)。


  图 2a:使用曲线追踪器测量的开关轨迹(黄色)和 IV 曲线(红色)。

 
  图 2b:使用双脉冲测试仪测量的开关特性得出的高功率 IV 曲线。
  测量关断和导通状态的 S 参数
  表征器件寄生参数(例如漏极电感和源极电感)非常重要,因为它们是振铃的主要原因。提取寄生参数值的最佳方法之一是在 FET 处于关闭状态时执行 S 参数测量。虽然这种方法在电力电子行业并不常用,但由此产生的寄生参数测量结果可以改善 WBG 器件的仿真结果。
  这是典型曲线追踪仪无法提供足够功率的局限性。即使仪器可以提供更多功率,测量结果也会受到测试期间长脉冲引起的功率产生的热量的不利影响。另一种选择是“双脉冲测试仪”或 DPT 系统。由于 DPT 系统可以执行快速脉冲测量,因此它可以从测量的开关特性中得出高功率 IV 曲线(图 2b)。使用这种方法,得到的 IV 曲线覆盖了整个开关轨迹,从而提高了后续模拟的质量。

  FET 的电容也很重要,尤其是栅极-漏极电容 (Cgd) 和栅极-源极电容 (Cgs)。可以使用具有漏极-源极偏置的 LCR 表测量这些电容。但是,这些测量是在 FET 处于关闭状态时进行的。当器件开启或施加栅极电压时,Cgd 会发生变化(图 3)。

 
  图3:Cgd的导通特性随Vgs和测试电路而变化。

  可以使用高电流偏置 T 来表征这些值,该偏置 T 阻止直流电流流入矢量网络分析仪 (VNA),如图 4 所示。由于 Cgd 的变化与切换过程中存在的电荷量有关,因此该值对于准确模拟切换中的时间滞后至关重要。

  
  图 4:用于表征导通状态 S 参数的测量装置。

  分析电磁效应 稳健的器件模型将显著改善电路仿真。然而,仅凭这一点还不足以准确模拟电源电路。由于电路内寄生效应在引起振铃、浪涌等问题方面起着重要作用,因此还需要考虑电路布局中的寄生效应。加入电磁 (EM) 分析会对仿真结果产生影响,如图 5 所示。

  图 5:没有(左)和有(右)电路布局电磁仿真(中)的仿真结果比较。
  一旦达到这种水平的模拟精度,兼容的高频设计模拟软件可以提供额外的功能,如频域分析(例如,诊断 EMI 相关问题)和电流密度曲线的动画(图 6)。

  可以使用高电流偏置 T 来表征这些值,该偏置 T 阻止直流电流流入矢量网络分析仪 (VNA),如图 4 所示。由于 Cgd 的变化与切换过程中存在的电荷量有关,因此该值对于准确模拟切换中的时间滞后至关重要。

  图 6:兼容软件为高频仿真提供的附加功能示例。
  概述解决方案
  图 7 展示了电源电路仿真的全面愿景:它涵盖了测量、建模和仿真。各种测量为稳健的仿真提供了基础。例如,IV/CV 和 S 参数测量解决方案为器件建模提供了现成的表征(分别是 Keysight PD1000A 和 ENA 系列)。动态器件分析仪/双脉冲测试仪提供了仿真验证所需的开关表征,还支持推导高功率 IV 曲线(Keysight PD1500A)。

  仿真软件完善了这一愿景(Keysight Pathwave ADS)。这里使用的软件受益于 75 年积累的创建业界领先 RF 工具的专业知识。使用这种先进的软件可以减少或消除原型设计周期,同时提高新电源电路开发的速度和质量。

  图 7:出色的测量结果和更好的模型使增强的模拟效果超越了使用传统方法创建的模拟效果。
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