（电力电子与电力传动专业论文）功率mosfet模型参数辨识及有效性验证.pdf

a b s t r a c t t h ed e v i c e ss i m u l a t i o ni st h ek e yp o i n tf o rt h es y s t e ms i m u l a t i o n 。b u ts o m e l i m i t ss u c ha st h e l a go fd e v i c em o d e la n dt h et e c h n o l o g yp r o t e c t e d c a u s et h e d i f f i c u l t yt oo b t a i na c c u r a t em o d e la n dt h em o d e lp a r a m e t e r s ，w h i c hr e s u l t s i nt h e i m p r e c i s i o n r e s u l tw h i l es i m u l a t i o n s oo b t a i n i n ga c c u r a t em o d e la n dm o d e l p a r a m e t e r sf o re l e c t r o n i cd e v i c ei sa h o tp o i n ti nt h ef i e l do f e e t h i st h e s i sd e s c r i b e sh o wt oi d e n t i f yt h ep a r a m e t e r sb a s e do nt h ek n o w e dm o d e l o fd e v i c e t h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o ns y s t e mf o rp o w e rm o s f e tb ya d o p t i n g s o f t w a r e “p a c t e ”w h i c hi sb a s e do i lp h y s i c a ld e v i c em o d e li sd e v o l p e d t h e d e v i c ei n t e r i o rm o d e lp a r a m e t e rc a l lb ee x t r a c t e df r o mi t se x t e r i o rc h a r a c t e r i s t i c sb y c o m p a r i n g s i m u l t a i o na n dm e a s u r ew a v e s i nt h i ss y s t e m , s u nw o r k s t a t i o nw o r k sa ss i m u l a t i o nc o n t r o l l e ra n dp ca s h a n d l e rf o rd a t aa q u i s i o n p o w e rs u p p l yc a l lb ec o n t r o l l e db ys o f t w a r et h r o u g h p c i 9 11 2t oo b t a i nv a r i a b l ev o l t a g e s p o w e rm o s f e tw o r k si nt h e s ev o l t a g e st og e t w a v e d a t u m w h i c h a r e a q u i r e d t h r o u g h g p i b f r o m d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e t o p c i n c l u d e sa u t o m a t e da c q u i s i t i o n s y s t e m a n do p t i m i z a t i o n p r o g r a m ，t h i s e x t r a c t i o ns y s t e mi sb a s e do nt w oo p e r a t i o ns y s t e m ：u n i xa n dw i n d o w s a c c o u n t i n gf o rt h i s s o i t w a r ei sw r i t t e ni nj a v aa n dc + + t h ei m p l e m e n to fj n i s o l v e st h ei n c o m p a t i b i l i t yb e t w e e ng p i bf u n c t i o n sa n dj a v a o p t i m i z a t i o np r o g r a mi st om a k e t h es i m u l a t i o nd a t as i m i l a rw i t hm e a s u r ed a t a m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dv a r i a b l ec o n v e r t i n ga l g o r i t h ma r ea d o p t e dt o m a k e st h es o l u t i o no f t h ee r r o rf u n c t i o ne l o s et ot h eg l o b a lo p t i m u mb e t t e ra n db e t t e r i ti sp r o v e dt h a tv a r i a b l ec o n v e r t i n ga l g o r i t h mh a sm o r ea d v a n t a g e si nc o n v e r g e n c e s p e e d ，p r e c i s i o ne t c a f t e rb e i n ge x t r a c t e d , t h ep o w e rm o s f e tm o d e lp a r d m e t e r sa i ev a l i d a t e dt o p r o v et h e i ra c c u r a c yo nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tv o l t a g ea n dc u r r e n tl e v e l s k e y w o r d ：p o w e rm o s f e ti d e n t i f i c a t i o no p t i m i z a t i o nv a l i d a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特另, j d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：雌日期址 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及 送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 丑望导师签名：丝日期：! ：! = 、! 、兰 t 海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 功率m o s f e t 参数辨识的意义及现状 1 1 1 电力电子器件仿真的必要性 可以说，信息时代的帷幕是由晶体管发明而拉开的，而知识经济这一形态也是由集 成电路的发展和微电子产业的发展而孕育的。许多历史学家往往喜欢用器具给时代命 名，如石器时代、青铜器时代、铁器时代等，从而把当今时代也对应地称为硅石时代。 它是以1 9 6 8 年开始计算的，在这一年，有关硅材料器件和电路论著的发表数已经超过了 钢铁方面的论著。当前，世界g n p 增值的6 5 与微电子技术有关。微电子产业己成为促 进国民经济持续发展和保证国家安全的战略性基础产业。2 l 世纪将是微电子技术与产业 持续发展的新世纪。 随着电子学的迅速发展，电子器件越来越多的应用于生产、工业、家用甚至航空航 天等各个方面。尤其是近十几年来，由于半导体微细加工技术与高电压、大电流的电力 半导体技术的结合，电子产品开发周期的不断变短，市场上电力电子器件的特性越来越 成熟，这使得电力电子技术的应用范围也进一步扩大。 在电力电子技术实际使用过程中，人们首先根据所提出的技术要求、自身技术 力、过去的经验和知识水平，建立一个电力电子系统电路的总体设计概念和思想， 后，通过计算机仿真，证实自己设计思想的正确性， 时，人们又需要利用计算机分析手段或通过人工，对 进而进入电路具体设计阶段。 能 各子电路进行详细分析( 包括稳定 性、动态和静态响应、起动和关机分析、和初步的热计算) 。最后，再利用计算机工具 对目标电路进行设计和调整。 从上述可见，计算机仿真技术在电力电子器件装置和系统设计中，具有十分重要 的地位。电力电子系 算机仿真技术，就是 型，以计算机为工具 统的设计方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。所谓计 把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立目标的数学模 以数值计算为手段，对存在的或设想中的目标电路进行实验研 然这 上海大学硕士学位论文 究设计。在电力电子电路的设计中，我们可以采用计算机仿真技术对不同的设计方案 迅速地进行模拟分析，并在电路形式确定以后，对系统中的元、器件参数进行灵敏度 分析和容差分析，从而优化器件参数，保证设计质量。所以，电力电子系统设计中采 用计算机仿真技术，能极大的减少人工劳动，缩短设计周期，降低设计成本。大部分 电力电子工程师在进行系统开发时都会用到电路仿真软件，例如比较有名的p s p i c e 等 1 1 1 。 在要求更准确、可靠、有指导意义的电力电子系统仿真时，精确的电力电子器件 的仿真便成了系统仿真中关键的一环。随着器件尺寸的减小，电力电子器件各种二阶 和高阶效应对电路性能的影响成为不可忽略的因素。作为设计的重要环节，电力电子 器件行为仿真和性能评估又是以器件模型和器件的模拟为基础。因此有效的电力电子 器件仿真使得器件使用者在使用该器件时，能够得到真正有指导意义的仿真结果。这 使得电力电子系统设计者在制作实际系统前，能在仿真过程中排除设计错误，使系统 在设计时已尽可能达到优化，节约了财力物力，起到事半功倍的效果。 1 1 2 辨识功率m o s f e t 模型参数的意义 随着电力电子技术进一步向高频的大功率用电领域发展，功率m o s f e t 在各种电 力半导体器件中的重要地位日益显著，使用功率m o s f e t 的电力电子电路日益增多。 功率m o s f e t 的特点是开关频率高，最高可达几百兆赫兹。但其初期产品的最大不足 是通态压降高，电流、电压容量低，故早期它主要在一些低电压、小容量的电机控制场 合使用。但近年来该类元件在结构、制造上有了重大改进，将微电子制造工艺引入该功 率元件的制造中。】r 公司至今已推出了第八代功率m o s f e t 产品，性能已大为改观。 自1 9 9 6 年以来，该公司的功率m o s f e t 的通态电阻以每年5 0 的速度下降，单位面 积功耗已从最初的每平方厘米3 0 m w 降至现在的每平方厘米0 9 m w ，元件体积大为缩 小，容量大大提高。本来分工明确的功率m o s f e t 和i g b t ，现在也出现了新一轮的 竞争。几年前w a r pi g b t 开关频率可达1 5 0 k h z ，逼近了m o s f e t 的频率，现在又有 垂直p + 结构的m o s f e t 来夺取更低的正向电阻( c o o l m o s ) ，耐压3 0 v 的功率 m o s f e t 的通态电阻与开始实用时相比已飞跃性的降至1 2 0 ” 3 1 。 上海大学硕士学位论文 功率m o s f e t 通导电阻逐年下降，频率和耐压逐年提高，不断向高性能发展，应 用前景将会更加广阔。在这种大前提下，为了适应电力电子装置和系统的设计人员对包 含有功率m o s f e t 的电力电子电路进行计算机辅助设计的需要，有必要首先能准确而 方便地对功率m o s 器件特性进行仿真。对于功率m o s f e t 这样一个开关型电力电子 器件的强非线性时变模型，要准确地分析其空间和动态性能往往是非常困难的。因此必 须采用基于半导体电路的物理模型来对器件进行仿真。这些模型在使用时必须要提供大 量的器件内部参数，而大多数情况下，大多器件制造商出于保密考虑，而不愿提供精确 的物理参数，电路设计们对这些内部参数常常是不知道的，在设置这些参数的时候，常 存在一定程度的盲目性。所以功率m o s f e t 器件模型确定以后，电力电子系统仿真的 精度取决于器件的模型参数是否准确。从这一点来说，得到功率m o s f e t 器件精确的 模型参数是得到有指导意义的仿真结果的关键，也是功率m o s f e t 能够更有效应用的 关键。因此本课题的参数辨识具有很大的实用意义。 1 1 3 几种常用电力电子仿真软件介绍 1 4 】 k r e a n 是专门针对电力电子电路的仿真而设计的仿真软件。它的所有开关器件均 采用理想开关或准理想开关模型，它着重对各种变流器及电力电子系统进行仿真分析。 s a b e r 是一个适合于动态非线性系统的计算机仿真程序包。它可以分析数字和模 拟电路，具有各种现代器件模型、电机模型、机械部件模型( 如：齿轮、档板、风扇等) 和 热力学模型等。它允许用户利用f o r t r o n 、c 或p a s c a l 程序自行定义和建立新的模 型，十分灵活，所以，它被人们广泛采用一般说来，电力电子系统是一个动态的，用数 字控制器控制的非线性系统，所以s a b e r 是一个十分适合于电力电子系统仿真分析的 软件包。 s p i c e 是一个非常著名、用户最多的电路模拟软件包，它有三种内建m o s f e t 器 件模型，但这些模型无一适合于功率m o s f e t 。这是因为s p i c e 的应用目标主要是大 规模集成电路，在大规模集成电路中只使用小功率的横向m o s f e t 。功率m o s f e t 的 源、漏电极不在同一平面内，称为纵向m o s f e t ( v m o s ) 。这种结构具有很多不同于横 向m o s f e t 的特点，譬如不可避免地存在有一个寄生二极管和一个寄生结型场效应管 圭塑查兰堡主兰堡堡兰 功率m o s f e t 通导电阻逐年下降 用前景将会更加广阔。在这种大前提下 频率和耐压逐年提高，不断向高性能发展，应 为了适应电力电子装置和系统的设计人员对包 含有功率m o s f e t 的电力电子电路进行计算机辅助设计的需要，有必要首先能准确而 方便地对功率m o s 器件特性进行仿真。对于功率m o s f e t 这样一个开关型电力电子 器件的强非线性时变模型，要准确地分析其空间和动态性能往往是非常困难的。因此必 须采用基于半导体电路的物理模型来对器件进行仿真。这些模型在使用时必须要提供大 量的器件内部参数，而大多数情况下，大多器件制造商出于保密考虑，而不愿提供精确 的物理参数，电路设计们对这些内部参数常常是不知道的，在设置这些参数的时候，常 存在一定程度的盲目性。所以功率m o s f e t 器件模型确定以后，电力电子系统仿真的 精度取决于器件的模型参数是否准确。从这一点来说，得到功率m o s f e t 器件精确的 模型参数是得到有指导意义的仿真结果的关键，也是功率m o s f e t 能够更有效应用的 关键。因此本课题的参数辨识具有很大的实用意义。 1 1 3 几种常用电力电子仿真软件介绍 1 4 】 k r e a n 是专门针对电力电子电路的仿真而设计的仿真软件。它的所有开关器件均 采用理想开关或准理想开关模型，它着重对各种变流器及电力电子系统进行仿真分析。 s a b e r 是一个适合于动态非线性系统的计算机仿真程序包。它可以分析数字和模 拟电路，具有各种现代器件模型、电机模型、机械部件模型f 如：卤轮、档板、风扇等) 和 热力学模型等。它允许用户利用f o r t r o n 、c 或p a s c a l 程序自行定义和建立新的模 型，十分灵活，所以，它被人们广泛采用一般说来，电力电子系统是一个动态的，用数 字控制器控制的非线性系统，所以s a b e r 是一个十分适合于电力电子系统仿真分析的 软件包。 s p i c e 是一个非常著名、用户最多的电路模拟软件包，它有三种内建m o s f e t 器 件模型，但这些模型无一适合于功率m o s f e t 。这是因为s p i c e 的应用目标主要是大 规模集成电路，在大规模集成电路中只使用小功率的横向m o s f e t 。功率m o s f e t 的 源、漏电极不在同一平面内，称为纵向m o s f e t ( v m o s ) 。这种结构具有很多不同于横 向m o s f e t 的特点，譬如不可避免地存在有一个寄生_ 极管和个寄生结型场效应管 向m o s f e t 的特点，譬如不可避免地存在有一个寄生二极管和一个寄生结型场效应管 圭塑查兰堡主兰竺笙苎 ( j f e t ) 。同时，其内部电容随偏置条件的改变以及漏、源电极的电感对器件动态特性的 影响等，也无法用s i p c e 的内建m o s f e t 模型进行准确的描述。在借用s p i c e 软件包 进行包含有功率m o s f e t 的电力电子电路的计算机辅助设计时，必须首先建立能准确 描述所用功率m o s 器件的工作状态的等效子电路，而且，这些等效子电路中的所有元 件必须都是s p i c e 软件包中的内设元件。p s p i c e 、i g s p i c e 等，均是基于s p i c e 软 件基础上广为应用，面向电路的仿真软件。可是，他们用于分析电力电子电路时，除了 以上提到的之外，同样存在着严重的缺点：它们起初主要用于分析集成电路，当用于分 析电力电子电路，在电路或控制出现由于开关造成的突然断续情况时，仿真分析会出现 不收敛的问题。这时，只得采取大大缩短时间步长的办法，来保证分析收敛。这就造成 运算时间太长。另外，用s p i c e 中的器件模型来描述功率器件，通常不够准确。特别 是，这些仿真软件都是建立半导体电路的模型，来对器件进行仿真的。因此，使用时必 须要提供大量的器件内部参数。在大多数情况下，电路设计者们对这些内部参数常常是 不知道的，所以，在设置这些参数时，常存在着一定程度的盲目性。 通过以上几种仿真软件的介绍，我们发现对于现在市面上流行的仿真软件，大多数 都是面向系统或一般的电子线路的，并非专门为电力电子电路仿真设计的。对于想得到 精确的器件仿真结果，采用一般的仿真软件有不少的局限，并不能达到预定的效果，其 主要原因如下口j ： 1 ) 由于常用的器件仿真软件起初是为低压模拟或数字集成电路设计的，因此在大 多数仿真软件中的标准器件模型都没有考虑到电力电子方面的应用，仅十二年来 一些应用于电力电子电路的高电压高电流的器件模型才开始发展。 2 ) 虽然有些仿真软件可以提供电力电子器件的模型参数，但由于生产厂家的不同 及产品批量的不同，使得器件参数差异较大，如果直接使用仿真软件提供的参 数，就会导致仿真结果的不准确。 3 ) 考虑到模型提供的滞后性，有些生产厂家推出某一电力电子器件以后，并不会 立即提供模型参数给仿真软件厂商，这就使得有些新器件的模型在仿真时只能找 相近器件替代，这会导致仿真结果的不可靠。 上海大学硕士学位论文 另外，在仿真过程中，只有很少的电路仿真软件设计者对半导体器件和仿真软件所 用的物理模型很熟悉。大多数情况下电路设计工作者们将电力电子器件的模型，用等效 电路来代替，即电阻、电容、可控电源及一些已知模型器件来组成电力电子器件的模 型。一般认为这种模型并不能精确描述器件的物理特性，而且该等值电路比较复杂，需 要辨识的参数较多，辨识不易。 近年来，出现了一种状态变量建模( s t a t ev a r i a b l em o d e l i n g ) 方法。该方法通过忽 略系统状态变量对应的傅里叶级数中那些不重要的项而对原系统进行简化，建模过程中 保留可以反映模型本身特性的主要级数项，然后由这些保留项和能反映器件物理特性的 变量一起构成动态相量模型的状态变量。这样建立的模型不仅能反应器件的实际工作情 况，并且可以大量节省计算时间。法国里昂电气实验中心已经已在该领域做了许多工 作，他们对电力电子器件的物理模型作了深入的研究，成功的将这种建模方法应用于电 力电子器件的仿真中，并以此开发了p a c t e 仿真软件。该软件不仅能准确的仿真器件 的静态和动态性能，而且模型的状态变量比较少，满足模型参数辨识的要求。 1 1 4 国内外研究现状 电力电子器件建模与仿真工具的研究，在电力电子技术发展过程中，始终十分活 跃。过去，电力电子器件的仿真只能应用于小功率的模拟电路和数字电路。那些大功率 的电力电子器件无法被这些仿真软件精确仿真。这是因为大功率器件的一些效应没有被 考虑，如电荷存储效应，电热效应。这些效应没有被正确描述或者根本没有被建模的原 因是它们对于小功率器件的影响不重要或可以忽略。然而，这些效应对于大功率器件来 说是非常重要的。因此我们用计算机辅助进行电路分析的时候，需要用各种等效模型来 描述电路中电力电子器件。建立精确的数学模型一直是电力电子学领域的一个难题，通 常只有假设一定的条件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范围内适用的数学模 型，为分析和设计电路提供帮助【3 1 f ”。 建模通常有2 种方法：根据器件内部载流子运动的物理规律建立物理一电气模 型；根据器件外部行为建立等效宏模型。这些模型既要便于计算机模拟程序识别和计 算，又要能正确的反映元器件的电气性能。电路模型越精确，也就越复杂，描述模型的 上海大学硕士学位论文 参数就越多，其内部的结点数也增多，计算时占内存量增大，计算时间加长，同时也增 加了编制程序的难度。因此，对模型的研究十分重要。 近年来，国内外的研究者提出了许多功率m o s f e t 的模型。有些模型从器件的物 理方程出发，在合理的物理假设基础上，推导出来的器件等效方程已经能够应用于各种 工作条件下的动、静态特性的比较准确的仿真。 许多专家已对功率m o s f e t 的动态特性进行了研究，并给出了精确的物理模型，并 把这些模型引入仿真软件中。这种基于器件物理模型的仿真，与器件的内部物理机制相 联系，保证了器件仿真的精度。但是许多科研组织只是提出了器件模型，对器件的模型 参数辨识没有引起足够的重视。它们大多只给出了器件在一定工作条件下的仿真效果， 而没有证明在大范围的工作条件下仿真功率器件的工作特性是有效的。目前，国内在这 一领域里的研究还很薄弱，大多数是功率m o s f e t 的稳态参数辨识，并不涉及器件的 动态过程。国际上在这一领域里的研究已比较深入，法国里昂电气实验中心已在该领域 做了许多工作。他们己将该方法应用于功率二极管、i g b t 及m o s f e t 的参数的辨识。 美国也有类似的研究报告。 1 2 功率m o s f e t 模型参数辨识系统 1 2 1 辨识思想 功率m o s f e t 参数辨识系统采用测量与仿真相结合的方法。我们一方面对功率 m o s f e t 的硬件实验电路进行自动测量，以获得不同电压电流条件下的多组信号参数 值。另一方面，我们在仿真软件( p a c t e ) 中设定功率m o s f e t 器件物理模型的技术 参数初值，通过对功率m o s f e t 进行仿真以获取仿真信号参数。当分别得到测量信号 参数和仿真信号参数时，我们利用这些参数组成一个目标函数，对它进行最优化来减少 这两种信号参数之间的差值。当它们的差值足够小，我们认为此时所对应的技术参数设 定值就是我们要辨识的器件物理参数。 辨识系统结构如图1 一l 所示： 上海大学硕士学位论文 图1 1 功率m o s f e t 参数辨识系统结构 功率m o s f e t 模型参数被辨识出来后，再进行有效性验证。通过有效性验证可以 分析所辨识的参数在不同工作范围内的精度。只有通过有效性验证的模型参数对器件使 用者才有指导意义。 基于同样的辨识思想，只要在仿真软件中的模型设置中将功率m o s f e t 换成对应 的电力电子器件模型，该系统就能对所有电力电子器件进行模型参数辨识。同时，随着 仿真技术的发展，如果包含更先进的器件模型的仿真软件出现，也可以用来替代本系统 中的p a c t e 软件，使得辨识出来的模型参数更精确。 1 2 2 本课题研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 根据法国专家提供的器件模型，开发一个自动测试系统，进行功率 m o s f e t 参数的在线自动测量。该系统是以p c 机和工作站为控制中心的电力电 子器件特性检测硬件平台以及基于j a 、，a 的g p i b 接口卡、多功能数据采集卡的 数据采集及控制系统。 2 ) 最优化方法的模型参数的自动辨识，采用最佳的优化策略辨识功率 m o s f e t 的参数。 3 )对已辨识的功率m o s f e t 参数，进行有效性验证，分析并得出结论。 上海大学硕士学位论文 1 3 本文的章节结构 第一章介绍了功率m o s f e t 参数辨识及有效性验证的意义及研究背景、国内外的 发展状况，同时阐述了本辨识系统的基本思想以及研究主要内容。 第二章简介了功率m o s f e t 参数辨识基本结构以及其静态和动态工作特性、并针 对所用p a c t e 仿真软件里的模型，分析了功率m o s f e t 的特征波形。 第三章详细介绍了功率m o s f e t 自动测试系统的硬件结构和软件设计思想。它为 整个参数辨识系统提供重要的实测数据来源。 第四章对优化程序部分进行了详细的说明，比较了所用的变量轮换法和改进型遗传 算法优缺点。最后给出了参数辨识的具体实现及结果。 第五章说明了有效性验证的目的、实现方法，并给出了其结果。分析有效性验证的 结果，得出结论。 望。 第六章对本课题进行了总结，并对参数辨识在电力电子器件仿真中的作用进行了展 上海大学硕士学位论文 第二章功率m o s f e t 相关特性及仿真模型 功率场效应晶体管( p o w e rm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 是一 种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动 功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点， 在线性放大技术领域及各类中小功率开关电路中得到了极为广泛的应用。 2 1 功率m o s f e t 的基本结构【1 5 功率m o s f e t 与普通m o s f e t 的工作原理类似，在结构上也有共同之处。功率 m o s f e t 都属于增强型管，分为n 沟道和p 沟道两种。结构上都是栅极( g a t e ) 与源极 ( s o u r e e ) 、栅极( g a t e ) 与漏极( d r a i n ) 之间均采用s i 0 2 绝缘层隔离。工作时，由加在栅源 极间的电压在漏源极之间产生导电沟道，m o s f e t 器件导通，如去掉加在栅源极之间 的电压，漏源极之间的导电沟道消失，m o s f e t 器件关断。 m o s f e t 器件在工作时，耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区上，由于漏极所 连接的区域不大，无法散发很多的热量，所阻普通m o s f e t 器件不能承受较大的耗散 功率。功率m o s f e t 在结构上较好的解决了这一问题，扩大了漏区散热面积，使得 m o s f e t 的耗散功率达千瓦以上。 根据结构形式的不同，功率m o s f e t 分为v v m o s f e t ( 利用v 形槽实现垂直导 电的功率m o s f e t ) 和v d m o s f e t ( 具有垂直导电的双扩散m o s 结构的场效应晶体 管) ，v v m o s f e t 是首先实现商业化的器件，但由于该类型器件在制备过程的稳定性 问题和v 形沟槽尖顶部分存在局部高电压等缺点，因此逐渐被其它器件替代。 这里我们主要介绍的是v d m o s f e t 。图2 - 1 给出了功率m o s f e t 的模拟结构。 9 上海大学硕士学位论文 l g 。 一j 上1 一 型! ：毯。烂! 。：岁 n _ 附 图2 一lm o s f e t 的模拟结构 在栅极电压为0 时，漏极和源极之间的p n 结为反向偏置状态。此时，即使在漏源 极间施加电压也不会造成p 区的载流子的移动，m o s f e t 处于关断状态。在保持漏源 极施加正向电压的前提下，如果在栅极上旌加正向电压，栅极下面的硅表面上就会出现 耗尽层，随之又出现负电荷( 电子) ，于是硅表面从p 型反型为n 型。此时电子便可 以从源极移动到漏极形成漏极电流。 漏极与栅源极不在同一侧面，实现了垂直传导漏源电流，充分利用了硅片面积，降 低了体电阻数值，为获得大电流容量提供了前提条件。 2 2 功率m o s f e t 的工作特性 2 2 1 静态特性 m o s f e t 的静态特性包括转移特性和输出特性，这里进行参数提取主要根据输出 特性。 m o s f e t 的输出特性描述以栅源电压v g s 为控变量时，漏极电流i d 与漏源极电压 v d s 之间的相互关系。如图2 - 2 所示，正常工作的m o s f e t 输出特性可分为两个区域： ( i ) 可调电阻区；( i i ) 饱和区。 上海大学硕士学位论文 图2 2m o s f e t 输出特性 在可调电阻区( i ) ，v g s 一定时漏极电流i d 与漏源电压v d s 几乎呈线性关系，这 是由于漏源电压较小时，它对沟道的影响可以几乎忽略不计。因而沟道宽度和沟道载流 子的迁移率几乎不变。因为一定的栅压对应一定的沟道，所以改变栅源电压可以改变器 件的电阻值。当v d s 较大时，情况有所不同，靠近漏区一端的沟道要逐渐变窄；另一方 面沟道载流子将达到散射极限速度，电子速度不再继续增加，于是尽管v d s 继续增加， 但i o 增加缓慢，沟道的有效阻值增加。直至靠近漏区一段的沟道被夹断或者沟道载流 子达到散射极限速度，才使沟道载流子的运动摆脱电场的影响，开始进入饱和区 ( i i ) 。饱和区里沟道电子的漂移速度不再受沟道电场的影响，漏源电压增加时，漏极 电流i d 保持恒定。 但是如果p n 结的反偏电压v d s 过高，使漏极p n 结发生雪崩击穿，漏极电流突然 增加，使用器件时要避免这种情况，否则会使器件损坏。 2 2 2 动态特性 功率m o s f e t 是一个近似理想的开关，具有很高的增益和极快的开关速度。动态 特性主要影响功率m o s f e t 的开关瞬态过程，一般是指其开关过程中功率m o s f e t 上 的电压电流变化和栅极电荷的变化【1 6 】，如图2 3 所示： 上海大学硕士学位论文 一；y； v 。， i v ；，“ j f l 一 k “。、湃o ， y i l o 。：2， ：l 。 i t | t5、：t 。t ， j b 一 图2 - 3m o s f e t 的开关波形 1 )开关特性 首先考虑在m o s f e t 栅极加上信号电压源的开通情况。从功率m o s f e t 模型的等 效电路可知，驱动m o s f e t 相当于驱动一个容性阻抗网络，当栅极加上电压信号后， 由于器件存在输入电容c 。，栅源电压不能立即达到终值k ，需要一个充电时间， 随着电压对栅极输入电容充电，栅源电压随时间的增长而上升，在栅源电压 未达到器件的阈值电压以前，器件都不导通，当栅源电压到达阈值电压以 后，器件的漏极电流l ，开始增大，器件的漏源电压随即开始下降，从而使栅漏电 容c 。则产生一放电电流，此电流流过栅极外加电压信号源的内阻并使其上的压降增 大，从而降低了栅源电压场的上升率，这是一种负反馈作用，即所谓的栅漏电容的 密勒效应，由于功率m o s f e t 器件转移特性的制约5 1 ，漏极电流，。将随栅源电压s 成比例变化，因而这种负反馈作用也必然影响到漏极电流j 。、漏源电压。的建立。 1 ， 上海大学硕士学位论文 在关断时，同样由于输入电容c 一的存在，栅源电压不会立即下降，需要经过 一个放电时间，输入电容c m 在开通过程阶段被栅极外加电压信号源所充的电荷现在要 释放，栅源电压随时间的增长而下降，当栅源电压降低至器件闽值电压以下 时，漏极电流i o 开始下降，漏源电压即开始上升。由于漏源电压升高，栅漏电 容c m 将被充电，充电电流在栅极外加电压信号源内阻上的压降使栅源电压下降缓 慢，即关断过程的密勒效应。由于m o s f e t 器件的转移特性，进而也会影响到漏极电 流厶、漏源电压的变化。 从图2 - 3 m o s f e t 的开关波形中，我们总结了一些波形特征参数，它们可以描述开 关波形的量化特征。如表2 1 所示： 表2 - 1 动态波形特征参数 特征参数符号说明 t do n 开通时间 一 v g so “ 开通后栅源极电压 一 i do “ 开通后漏极电流 一 开通 v g sm i l l e r 开通时米勒电压 tm i l l e ro “ 开通时刻到出现米勒电压的时间 v d so n 开通前的漏源极电压 一 t f vo n 栅源极电压下降时间 一 q g _ o n开通栅极电荷 v g so 仃 关断前栅源极通态电压 一 l da 仃 关断前漏极通态电流 一 t no 仃 漏极电流下降时间 一 v g s 删l l e t 关断时米勒电压 tm i l l e ro f f 关断时刻到米勒电压的时间 关断 v d so 仃 关断前漏源极通态电压 一 t r yo 仃 漏源极电压下降时间一 上海大学硕士学位论文 v d sm a x栅源极最大电压 tv d sm a x 开通到出现最大电压的时间 q go f f关断栅极电荷 d v o s d t关断时漏源极电压变化率 d i d d t 关断时漏极电流变化率 根据对功军m o s f e t 器件开关过程的分析川知，器件的极司电容对冥开关特性有 着非常大的影响，极间电容不仅影响到器件的开通、关断时间，还对器件开关过程中电 压、电流的变化有着重要的影响，因此，对器件极问电容的研究可以作为研究器件开关 特性的一个入手点。 2 ) 栅极电荷特性 栅极电荷q j 是功率m o s f e t 开关工作时向栅源间寄生电容充电的电荷量，它是研 究高速开关驱动电路的驱动能力时所必需的重要参数。栅极电荷绋与栅源电压之间的 函数关系称为栅极电荷特性由图2 3 的栅极电流如波形可看出，栅极电荷q j 由三部分 组成：( b ，、q o o 和q o s 2 。栅极外加电压信号源给功率m o s f e t 充电开始，电荷流入栅 源间o 邑v r c a s ，直到漏极电流厶出现，漏源电压开始下降为止，在n l t t c l = 内c o s 上积累的电荷量如- ，因此如，对应于器件导通延迟期间所需的电荷；在漏源电压下 降期间，栅漏电容不停地积累电荷，直到功率m o s f e t 饱和导通为止，这段时间 容c o z ) 上积累的电荷为优。，因此，q g d 对应于影响器件漏源电压上升或下降所需的 电荷；以后，随着栅源电压的增高，虽然仍在积累电荷，但大部分电荷被c g d 储 存，这段时间内栅极上积累的电荷用如2 表示，因此如z 对应于器件关断延迟器件所 需的电荷，而总的栅极电荷q g 等于三者之和。 利用栅极电荷特性曲线，可以在给定的开关速度要求下，求得所需的栅极电流估计 值，这对于设计功率m o s f e t 驱动电路是一个重要的依据。 j - 海大学硕士学位论文 2 3 功率m o s f e t 的电路模型 2 3 1 一般电力电子器件的电路模型分类简介 构建电力电子器件的仿真模型是对器件仿真及参数辨识的基础。仿真软件中涉及到 的电力电子器件的模型，按其描述器件的详细程度可以分为两大类：器件物理模型和等 效电路模型。 、 1 )等效电路模型 利用等效电路模型描述器件特性就是将器件等效成一些基本单元组成的电路，这样 器件的特性则可以由该电路的特性来描述，模型的根据是器件特性、模型中的电路单 元。它可以由收敛的解析函数或者经验公式导出。这种模型根据详细程度可以分为以下 两类： 夺仅描述器件的开通和关断等基本外部特性的模型，如理想开关模型和双值电阻 模型。 夺除描述器件的开通和关断等基本特性外，还描述器件的其他外部特性，如开通 时间和关断时间等。 其中，第一类器件模型过于简单，所有的功率器件几乎有完全相同或者相似的理想 开关模型或者双值电阻模型。这类模型一般以子电路的形式出现。第二类模型通过等效 电路的形式将器件的外部特性表现出来，结构较简单，但其外部特性与物理模型相似， 因此又称为宏观模型。宏观模型虽然与具体器件的特性基本吻合，结构也比较简单，但 存在精度不高等缺点，而且由半导体器件模型件( 电阻、电容、受控源等) 的组合成等 效电路来描述的模型不能完全描述器件的动态特性，而且只能应用于较小的工作范围 内。 2 )器件物理模型 器件物理模型主要是根据器件的几何图形、掺杂分布、载流子运输方程( 半导体方 程) 和材料特性等预测器件的输出特性和运输现象。 现代电力电子器件的尺寸越来越小，只能采取数值的方法对这些器件的半导体方程 进行二维或三维的求解，我们称这类器件模型模拟为数值模拟。它可以详细描述器件内 l5 圭堡奎堂堡主兰垡垒奎 部的详细物理机理和过程的模型，而且还能预测新器件的特性。这类模型是直接建立在 器件的物理机制上的，它包括了载流子( 自由电子和空穴) 漂移和扩散的数学方程，因 此最为精确的。 仿真时究竟采用哪种模型，要根据具体研究对象来决定。当研究整个系统的情况 时，采用的等效电路模型即可，这种模型非常简单。当要研究系统中电路的工作情况， 或者电力电子器件的开通、关断等动态过程的详细情况时，则要采用器件物理模型。 采用合适的物理模型进行合适的仿真就能在较大的范围内得到精确的数据结果，从 而能精确的辨识到器件的内部参数。但是另一方面，由于微观模型是基于器件的物理机 理而建立的，必须对器件的动态特性进行描述，有许多非线性环节，因此，此类模型比 较难于建立。幸运的是一些仿真软件已经为我们做好了这方面的工作，这些仿真软件包 含了许多的器件模型( 也可以自行建立器件模型) ，我们只需要设计出合理的实验电路 图，然后设定适当的内部参数，就可以得到器件的仿真结果。 这里我们采用了法国国家电气实验中心m o r e l 教授开发研制的p a c t e 仿真软件。 它采用根据半导体物理理论建立的m o s f e t 的稳态和瞬态模型，下面将详细介绍。 2 3 2 功率m o s f e t 器件模型介绍 1 ) 极间p n 结电容【1 7 j p n 结是功率m o s f e t 的基本单元。在介绍功率m o s f e t 器件模型前，首先介绍 一下p n 结电容。 p n 结电容可以分为两种：一种是势垒电容c ，另一种是扩散电容c d ，通常我们 说的p n 结电容主要指它的势垒电容。 a ) 势垒电容： 设在p n 结上加一交变电场，在正向电压作用下，由于外电场的方向与内建场相 反，因此使势垒区变窄。其实这是因为p 区的空穴和n 区的电子在外电场作用下各自 向着p n 结漂移，结果就中和了一部分带负电的受主离子和带正电的施主离子，使势垒 区比平衡时要窄。相当于正向电压作用下有部分电子和空穴“存入”到空间电荷区内。 当外加电场方向时，势垒区边界的少数载流子都被电场来回去( 空穴被拉回p 上海大学硕士学位论文 区，电子被拉回n 区) ，因此使势垒区变宽。这相当于在反向电压作用下有一部分电 子和空穴从空间电荷区被“取出”。 由此可见，在交变电场作用下，载流予在势垒区可以“存入”和“取出”，势垒区 就好像一个存放载流子的“仓库”，它的作用和电容器完全一样，因此被称为势垒电 容。 这个势垒电容可以表示为c ，= ! 乒。其中为真空介电常数，s 为硅的相对介电常 数，a 为平板面积，w 是势垒区宽度。由于势垒区宽度w 与外加电压的关系，势垒电 容为一非线性电容。 b ) m o s 电容介绍 m o s 电容就是在半导体上覆盖绝缘层( 氧化层) 和金属层构成的电容器。我们以 p 型半导体为例。 根据能带的理论【1 8 ，当外加电压交变时，表面能带的上下弯曲致使金属表面的电 荷q 。和半导体势垒区电荷q 。都要变化。电荷随着电压变化就是一种电容效应，这个 电容称为m o s 电容：c = 势。 加在m o s 电容器上的外加电压一部分一降落在绝缘层上，其余降落在半导体 势垒区上，所以吉= 畿= 老+ 老= 专+ 亡a 绝缘层电容c 】类似一个容值固定的平板电容，而半导体空间电荷区电容c p 是由空 间电荷区的充放电引起的，电容值随电压变化。因此，m o s 电容c 等于恒定c 和可变 电容。的串联。 2 ) 功率m o s f e t 模型分析 功率m o s f e t 的极间电容包括c o s ( 栅源电容) 、c g d ( 栅漏电容) 、c d s ( 漏源 电容) ，其中c g s 和c g d 是由m o s 结构的绝缘层形成的，c d s 是由p n 结构成。如图 2 - 4 给出了功率m o s f e t 模型结构： 上海大学硕士学位论文 图2 4 模型等效电路 功率m o s f e t 器件的c 基、c 6 d