寬能隙生態系統:快速開關和顛覆性的模擬環境

作者 : 安森美半導體(ON Semiconductor)供稿

寬能隙材料實現了較當前矽基技術的飛躍。它們較大的能隙導致較高的介電擊穿,從而降低了導通電阻(RSP)…

寬能隙材料實現了較當前矽基技術的飛躍。它們較大的能隙導致較高的介電擊穿,從而降低了導通電阻(RSP),且更高的電子飽和速度支援高頻設計和工作,而降低的漏電流和更好的導熱性有助於高溫下工作。

安森美半導體提供圍繞寬能隙方案獨一無二的生態系統,從旨在提高強固性和速度的碳化矽(SiC)二極體、SiC MOSFET一直到驅動SiC MOSFET的高階IC閘極驅動器。除了硬體外,還提供物理SPICE模型,協助設計人員在模擬中實現其應用性能,而無需進行昂貴的測試週期。

預測性離散建模可以進行系統級模擬,其中可以針對系統級性能指標(例如能效)而不只是元件級性能指標(例如RDS(on))最佳化元件。此外,設計人員可以有信心地模擬資料表中未涵蓋的工作條件,例如開關應用的變化溫度、匯流排電壓、負載電流和輸入閘極電阻。

為了使所有這些正常工作,模型必須基於物理、直觀、可預測,且最重要的是準確。

在IC產業中,追溯到幾十年前,採用SPICE模型的支援CAD設計的環境,對IC設計人員準確預測電路性能至關重要,透過首次正確設計縮短生產週期。迄今為止,由於缺乏可靠的SPICE模型,電力電子CAD環境遠遠落後於IC產業。電力電子元件模型基於簡單的子電路和複雜的非物理行為模型,使模擬結果最終將不可靠。

簡單的子電路太基本,不足以充分利用所有元件性能。在圖1顯示了一個CRSS圖,將典型的簡單模型(藍色)與更先進的物理模型(綠色)和測量資料(紅色)進行了比較。顯然,可看到簡單模型無法擷取非線性電容效應,最終導致動態開關模擬不準確。

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圖1 CRSS圖比較典型的簡單模型(藍色)與更先進的物理模型(綠色)和測量資料(紅色)。

眾所周知,更準確、更複雜的行為模型會導致收斂問題。此外,此類模型通常以專有的模擬器行為語言(例如MAST)編寫,因此無法跨多個模擬器平台。

通常,電力電子模型既不是基於製程技術和佈局,也不具有晶片平面佈局的可擴展性。

本文以物理可擴展模型開發了一個適用於整個技術平台的模型。也就是說,它不是單個模型的庫,含經驗擬合參數,最終曲線適合所有產品。只需輸入給定產品的晶片平面佈局參數,透過晶片擴展,就可以使技術迅速發展。

在下一級,模型中基於物理學的製程依賴性使我們能夠預測新的虛擬技術變化的影響。顯然,早期設計有助於從應用角度帶動技術要求,並加快產品上市時間。一方面,製程和元件設計工程師使用限定的元件模擬,也稱為TCAD;另一方面,應用和系統級設計人員使用基於SPICE的模擬環境,而基於製程參數的SPICE模型有助於結合這兩方面。

以下,本文將介紹SiC功率MOSFET模型的某些方面。

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圖2 典型的SiC MOSFET橫截面。

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圖3 子電路模型的簡化版本。

現在介紹該模型的一些元素。首先,來談談關鍵通道區域。在這裡,使用著名的柏克萊(Berkeley)BSIM 3v3模型,只要有任何可能,本文都努力不做重複工作。在這種情況下,嘗試建模MOSFET通道,其非常適合用BSIM模型進行,該模型是基於物理的,透過亞閾值、弱反演和強反演來準確擷取轉換。此外,它具有出色的速度,且廣泛用於多個模擬平台都可提供收斂性。

接下來,需要涵蓋由EPI區域的多晶矽重疊形成的閘極至汲極臨界電容CGD。該電容本質上是高度非線性的金屬氧化物半導體(MOS)電容,該電容的耗盡區由摻雜剖面,以及外延層的厚度等製程參數複雜的依賴性控制。採用SPICE「不可知行為(Agnostic,編按:亦可解讀為所有可用)」方法,實施一種基於物理的模型,將所有這些影響考慮進去,稍後將討論什麼是SPICE Agnostic方法。

從橫截面開始,本文想介紹晶片平面圖可擴展性後面的一些概念和結構,如圖4所示。灰色區域是主動區,藍色被動區與裸晶邊緣(die edges)、閘極焊盤和閘極通道(gate runners)相關。基於物理幾何的衍生確定了被動區和主動區之間的分佈,這是實現可擴展性所需的。本文非常關注在主動和被動區之間的邊界區域中形成的寄生電容。一旦開始忽略佈局中的寄生電容,什麼時候停止?所有可忽略的電容最終累積起來成為一個問題,在這種情況下,無法實現擴展,本文的理念是不忽略任何電容。

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圖4 晶片平面圖可擴展性後面的一些概念和結構。

SiC MOSFET支援非常快的dV/dt,大約每奈秒50100伏特,而dI/dts大約每奈秒36安培。元件固有的閘極電阻很重要,可以用來抗電磁干擾(EMI)。圖4右邊的設計具有較少的閘極通道,因此RG較高,很好地限制了振鈴;圖4左邊的設計有許多閘極通道,因此RG較低。左邊的設計適用於快速開關,但每個區域的RDS(on)也較高,因為閘極通道會在主動區侵蝕掉。

現在,談談模型驗證。圖5中顯示輸出電流-電壓特性,該模型準確預測整個偏置範圍,包括高閘極處的漂移區和汲極偏差。圖中精確導通模擬突出模型的連續性,這對於強固的收斂性能很重要。除線性以外,可經常查看對數刻度,以發現隱藏的不準確和不連續。

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圖5 輸出電流-電壓特性。

圖6顯示了在寬溫度範圍內的當前電壓、RDS(on)和閾值電壓的結果。SiC MOSFET元件具有穩定的溫度性能,因此非常有吸引力,寬溫度範圍內的高精準度建模使設計人員可以充分利用這品質。

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圖6 在寬溫度範圍內的當前電壓、RDS(on)和閾值電壓的結果。

前面介紹了對複雜元件電容的物理建模,圖7是結果。在左側,CRSS(或CGD)模擬追蹤資料在2個數量級以上的多次變化,僅在對數刻度上可見。

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圖7 對複雜元件電容的物理建模結果。

開關結果具有精確建模的固有電容和元件佈局寄生效應,如圖8所示,無需額外調整模型。這保真度使應用設計人員有信心精確模擬元件電路的相互影響,例如dV/dt、dI/dt、開關損耗和EMI,可以研究和最佳化閘極驅動器和電源環路進一步的相互影響。

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圖8 開關結果具有精確建模的固有電容和元件佈局寄生效應。

滿足客戶各種不同的模擬平台要求非常重要。因此,SPICE Agostic方法至關重要。Agostic是指使用產業標準模擬軟體中的最小公分母結構,從而避免依賴於模擬器的專有方案。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 2020年1月號雜誌

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