碳化硅BJT的PSpice建模与实验验证

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碳化硅双极结型晶体管(SiCBJT)由于SiC材料具有宽禁带、高临界击穿电场及高热导率等优良特性不仅比硅双极结型晶体管(Si BJT)反向恢复时间短,导通电阻小,开关速度高,而且比SiCMOSFET工艺过程简单,成本低以及不存在栅氧可靠性问题,因此能够满足电力电子技术对功率半导体器件不断提出的严格要求,并且广泛的应用于电力电子变换系统中,而SiCBJT的外基区表面复合效应引起的电流增益的退化严重影响着器件的可靠性。同时,在用仿真软件辅助设计系统过程中,SiCBJT的等效电路仿真模型决定着仿真结果的精确性,目前已适用于Si BJT的SGP模型无法描述SiC BJT的外基区表面复合效应。因此,亟需建立准确可靠的SiC BJT的行为模型来来评估系统功耗、效率等性能指标,从而预测系统的性能并设计好散热系统。本文首先通过对比Si BJT和SiC BJT的结构、工作原理以工作状况对SGP模型的拓扑结构和一些模型参数进行了简化,并且根据两者基区掺杂剂浓度不同对一些模型参数值进行了修正;然后考虑了外基区表面复合效应并对其进行建模,即利用HBT器件基区表面复合电流是发射结电压的指数函数的原理,通过在SGP模型的发射结并联了一个二极管来描述SiC BJT的基区表面复合电流。最后用功率分析仪Agilent B1505A测量静态特性曲线和C-V曲线以及用双脉冲测量电路测量开通-关断特性曲线,将测量数据导入到Origin软件中用优化拟合算法提取SGP1模型参数,最终得到了 SGP1模型。在LTspice电路仿真软件中,搭建SiCBJT的静态和动态等效仿真电路,并分别用SGP模型和SGP1模型进行SiC BJT电学特性仿真,仿真结果和测量结果的对比表明SGP1模型能更准确地描述SiC BJT的电学特性。本文提出的SGP1模型不仅模拟了外基区表面复合效应而且可以较好的描述SiCBJT的静态和动态特性。为了更好的应用SGP1模型,在LTspice中搭建用自适应驱动方式驱动SiC BJT的Boost-Chopper电路,并且用SGP1模型描述SiC BJT的电学特性,将仿真结果与实验结果进行对比,并对比计算出的驱动功耗,结果也验证了 SiC BJT的SGP1模型的有效性。
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