使用高级特性和建模技术模拟宽带隙功率电路

　　概述电源电路设想中涌现的挑衅
　　预计 WBG 功率器件将带来诸多优点，尤其是显著进步功率服从。这在汽车和工业使用中特别云云，由于下降能量消耗能够进步转换服从。另外，高频操纵可减小直流链路电容器和电感器等核心元件的尺寸，从而减小功率转换体系的尺寸。另外，WBG 器件可以或许在较高温度下事情，从而缩小或消除了对大型、重型冷却体系的需要。
　　实际上，完成这些上风的道路上存在许多阻碍。首先是因为 WBG 器件的速率而带来的电路设想挑衅：今朝，它们的速率比传统硅 (Si) 器件快 10 到 100 倍。虽然电源转换电路的开关频次不是特别高，但开关波形中的高频重量很轻易惹起不测的电磁滋扰 (EMI)。
　　尽管 EMI 也是 Si 基电源电路的一个题目，但在应用 WBG 器件时更难解决。缘故原由：更快的器件会发生更快的电压变迁，大概致使场效应晶体管 (FET) 的误导通。假如产生这类情形，发生的浪涌电流将在器件中产生热量。最坏的情形是原型设想灾难性毛病。在电路中，杂散电容或杂散电感等寄生要素也会引起题目。比方，倏地旌旗灯号变迁（比方 dv/dt 或 di/dt）会触发与杂散电感和电容相干的本振（即振铃）。
　　假如设置装备摆设建模软件可以或许正确展望高速 WBG 设置装备摆设的行动，那末它就能够解决这些题目。遗憾的是，今朝可用的电路仿真软件都无奈正确模仿 WBG 设置装备摆设施行的高速功率转换。
　　新型模拟与传统模仿的比拟
　　为了餍足这一需要，咱们构造开发了一种新的方法来建模和模仿 WBG 设置装备摆设。DC-DC 转换器的模拟将解释新方法相对传统要领的上风。

　　图 1a 表现了 DC-DC 转换器电路的模仿效果（赤色）与丈量呼应（蓝色）的瓜葛。模仿是应用 SPICE 软件和从制造商网站下载的传统设置装备摆设模子举行的。所有四条迹线都表现误差 dv/dt 和 di/dt：存在显然的时候偏移、峰值电流差别和振铃征象。相比之下，图 1b 表现了应用新方法发生的效果：模仿迹线和丈量迹线之间的一致性更高。

　　图 1a：传统模拟与丈量效果的比拟

　　所有四条轨迹都显示出误差 dv/dt 和 di/dt：存在显然的时候偏移、峰值电流差别和振铃征象。相比之下，图 1b 表现了应用新方法发生的效果：模仿轨迹和丈量轨迹之间的一致性更高。

　
　　图1b：新方法与沟通丈量效果的比拟。
　　完成 WBG 设置装备摆设的更佳模仿
　　器件模子是每一个电路仿真的基础因素。然而，今朝还没有正确暗示功率器件行动的规范模子。
　　在器件模子的任何实践使用中，可微分的数学暗示都是可取的，缘故原由有二：它可以或许加速仿真的收敛速率，而且关于无奈造访物理参数的电路设想职员分外实用。关于 Si 器件和SiC MOSFET，是德科技开发了一种应用数学方程的模子。这增强了在种种条件下忠诚暗示器件行动的才能。如以下部份所示，这些方程是从对实在器件的丈量中得出的
　　取得高功率 IV 曲线设置装备摆设

　　模子平日应用 IV 曲线和 CV 曲线建立。关于电源电路，IV 曲线是更好的抉择。即便云云，应用曲线追踪器（经由过程其集成的 LCR 表）丈量的 IV 曲线仅遮盖无限的地区，无奈捉拿拥有电感负载的电源电路的开关轨迹（图 2a）。

　　图 2a：应用曲线追踪器丈量的开关轨迹（黄色）和 IV 曲线（赤色）。

　
　　图 2b：应用双脉冲测试仪丈量的开关特点得出的高功率 IV 曲线。
　　丈量关断和导通状况的 S 参数
　　表征器件寄生参数（比方漏极电感和源极电感）异常首要，由于它们是振铃的首要缘故原由。提取寄生参数值的最好要领之一是在 FET 处于封闭状况时施行 S 参数丈量。尽管这类要领在电力电子行业其实不经常使用，但由此发生的寄生参数丈量效果能够改良 WBG 器件的仿真效果。
　　这是典范曲线追踪仪无奈供应足够功率的局限性。纵然仪器能够供应更多功率，丈量效果也会遭到测试时期长脉冲惹起的功率发生的热量的晦气影响。另一种抉择是“双脉冲测试仪”或 DPT 体系。因为 DPT 体系能够施行倏地脉冲丈量，是以它能够从丈量的开关特点中得出高功率 IV 曲线（图 2b）。应用这类要领，失掉的 IV 曲线覆盖了全部开关轨迹，从而提高了后续模仿的品质。

　　FET 的电容也很首要，尤其是栅极-漏极电容 (Cgd) 和栅极-源极电容 (Cgs)。能够应用拥有漏极-源极偏置的 LCR 表丈量这些电容。然则，这些丈量是在 FET 处于封闭状况时举行的。当器件开启或施加栅极电压时，Cgd 会发生变迁（图 3）。

　
　　图3：Cgd的导通特点随Vgs和测试电路而变迁。

　　能够应用高电流偏置 T 来表征这些值，该偏置 T 阻拦直流电流流入矢量网络分析仪 (VNA)，如图 4 所示。因为 Cgd 的变迁与切换过程当中存在的电荷量无关，是以该值关于正确模仿切换中的时候滞后相当首要。

　　
　　图 4：用于表征导通状况 S 参数的丈量装配。

　　阐发电磁效应 稳重的器件模子将显著改良电路仿真。然而，仅凭这一点还不足以正确模仿电源电路。因为电路内寄生效应在惹起振铃、浪涌等题目方面起着首要感化，是以还需要思量电路结构中的寄生效应。到场电磁 (EM) 阐发会对仿真效果发生影响，如图 5 所示。

　　图 5：没有（左）和有（右）电路结构电磁仿真（中）的仿真效果比拟。
　　一旦达到这类程度模仿精度，兼容的高频设想模仿软件能够供应额定性能，如频域阐发比方，诊断 EMI相干题目）和电流密度曲线的动画（图 6）。

　　图 6：兼容软件为高频仿真供应的附加性能示例。
　　概述解决计划
　　图 7 展示了电源电路仿真周全愿景：它涵盖了丈量、建模和仿真种种丈量稳重的仿真供应根底比方，IV/CV 和 S 参数丈量解决计划为器件建模供应了现成的表征（分别是 Keysight PD1000A 和 ENA 系列静态器件分析仪/双脉冲测试仪供应了仿真考证所需的开关表征支撑推导高功率 IV 曲线（Keysight PD1500A）。

　　仿真软件美满了这一愿景（Keysight Pathwave ADS）。这里应用的软件受害于 75积存建立业界当先 RF对象业余常识应用这类进步前辈的软件能够缩小排除原型设想周期，同时提高新电源电路开辟速率品质。

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