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碳化硅MOSFET的近似SPICE建模
Approximate SPICE Modeling of SiC MOSFETs
| 作者 | Pawel Piotr Kubulus · Janus Dybdahl Meinert · Szymon Beczkowski · Asger Bjørn Jørgensen · Stig Munk-Nielsen · Dimosthenis Peftitsis |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 宽禁带半导体 SPICE建模 近似建模 收敛性 加速 |
语言:
中文摘要
摘要:近年来,宽带隙(WBG)半导体的应用使SPICE电路仿真软件面临巨大挑战,需要以较低的计算量对快速振荡瞬态进行准确评估。WBG半导体SPICE建模的主要局限之一是现有软件中缺乏内置模型,这迫使人们使用包含大量非线性方程的行为建模。采用这种实现方式会导致高昂的计算成本和收敛性问题。本文提出一种对WBG半导体进行近似建模的通用方法,利用现代开源SPICE软件的功能,通过将非线性模型公式与SPICE模型公式解耦来提高收敛性,并将非线性模型更新的计算成本转移到SPICE软件之外。所提出的建模方法适合通过现场可编程门阵列(FPGA)实现和机器学习代理建模进一步加速。为研究近似建模的准确性,针对两款碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的电荷方程和沟道方程推导了近似公式,并在双脉冲测试中与原始仿真模型和实验结果进行了比较。结果表明,近似实现方法在瞬态仿真中保持了原始模型的准确性,提高了收敛性,加速比可达59%。
English Abstract
The recent adaptation of wide bandgap (WBG) semiconductors pushes the SPICE circuit simulation software to the very edge, requiring computationally light and accurate assessment of rapid and oscillatory transients. One of the main limitations in SPICE modeling of WBG semiconductors is the lack of built-in models in the available software, forcing usage of behavioral modeling with heavily nonlinear equations. Using such implementation leads to high computational costs and convergence issues. This work presents a general approach to the approximate modeling of WBG semiconductors, leveraging the functionality of modern open-source SPICE software to improve convergence by decoupling nonlinear model formulation from the SPICE model formulation and to move the computational cost of nonlinear model updates outside the SPICE software. The proposed modeling approach is suitable for further acceleration by FPGA implementation and machine learning surrogate modeling. To investigate the accuracy of the approximate modeling, the approximations are derived for charge and channel equations of two silicon carbide mosfets and compared in a double pulse test against the original simulation model and experimental results. It is shown that the approximate implementation maintains the accuracy of the original model in the transient simulation and improves the convergence, leading up to 59% acceleration.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项SiC MOSFET近似SPICE建模技术具有重要的工程应用价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,我们正大规模采用碳化硅等宽禁带半导体器件来提升产品的功率密度和转换效率。然而,在产品研发阶段,传统SPICE仿真工具在处理SiC器件的快速开关瞬态和高频振荡时面临收敛性差、计算成本高的瓶颈,这直接影响了我们的研发效率和产品迭代速度。
该论文提出的近似建模方法通过解耦非线性模型与SPICE求解器,将计算负荷转移到外部处理,在双脉冲测试中实现了高达59%的仿真加速,同时保持了与实验结果的高度一致性。这对阳光电源的价值体现在多个层面:首先,可显著缩短逆变器和储能变流器中SiC功率模块的设计验证周期;其次,更快的仿真速度使我们能够进行更全面的参数优化和可靠性分析,这对于提升1500V高压系统和大功率储能PCS的性能至关重要。
特别值得关注的是,该方法支持FPGA加速和机器学习代理模型的进一步集成。这为构建实时硬件在环(HIL)测试平台提供了可能,可加速我们在多电平拓扑和复杂控制算法方面的验证工作。从技术成熟度看,该方法基于开源SPICE软件,具备较好的可移植性,但在大规模多器件系统建模的精度保持和参数提取自动化方面仍需深入评估。对于阳光电源而言,尽早探索此类高效仿真技术,将强化我们在新能源装备核心技术上的竞争优势。