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基于半物理的SiC MOSFET电路仿真模型,可外推至高温
Semi-Physics-Based SiC MOSFET Circuit Simulation Model Capable of Extrapolation to High Temperatures
| 作者 | Takeru Suto · Akira Inoue · Haruka Shimizu · Yuki Mori |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | SiC MOSFET 电路仿真模型 超高温运行 短路特性 短路保护 |
语言:
中文摘要
本研究开发了一种能够预测包括短路情况在内的超高温运行的碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)电路仿真模型。推导了一种将MOS和结型场效应晶体管(JFET)组件相结合的基本结构,从而能够重现短路事件期间的限制过程。此外,还纳入了基于物理原理的体声子散射、库仑散射、表面声子散射和界面粗糙度散射模型。同时还建立了受陷阱影响的可移动电荷载流子模型,使得能够基于低温拟合来外推超高温行为。结果表明,该模型不仅可以预测静态和开关特性,还能预测短路特性。该模型有望对诸如短路保护等先进设计难题做出重大贡献。
English Abstract
In this study, a SiC MOSFET circuit simulation model capable of predicting ultrahigh-temperature operation, including short-circuit conditions, was developed. A fundamental structure combining MOS and JFET components was derived, enabling the reproduction of limiting processes during short-circuit events. Additionally, physics-based models for bulk phonon scattering, Coulomb scattering, surface phonon scattering, and interface roughness scattering were incorporated. A model for mobile charge carriers influenced by traps was also implemented, allowing for the extrapolation of ultrahigh-temperature behavior based on low-temperature fitting. It was demonstrated that the model can predict not only static and switching characteristics but also short-circuit characteristics. This model is expected to contribute significantly to advanced design challenges, such as short-circuit protection.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务角度来看,这项SiC MOSFET半物理仿真模型技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,SiC MOSFET的可靠性直接影响产品性能和系统安全性。该模型通过整合物理散射机制和陷阱载流子模型,实现了从低温数据外推至超高温工况的预测能力,这对于我们在极端环境下的产品设计具有突破性意义。
在实际应用层面,该技术的短路特性预测能力尤为关键。光伏逆变器和储能变流器在电网故障、负载突变等异常工况下可能面临短路冲击,传统设计依赖大量实验验证,成本高且周期长。该模型能够在设计阶段精确仿真短路保护策略,可显著缩短我们的产品开发周期,降低原型测试成本,同时提升系统的故障穿越能力和安全裕度。
对于阳光电源在高温、高海拔等苛刻环境下的项目部署,该模型的超高温外推能力提供了重要的设计工具支撑。特别是在中东、非洲等高温地区的大型光伏电站,以及储能系统的热管理优化中,能够更准确地评估器件极限工况,优化散热设计和降额策略。
技术挑战方面,模型的参数提取和验证需要与实际器件特性紧密结合,建议与SiC供应商建立深度合作,获取详细的器件物理参数。同时,将该模型集成到现有的电路仿真平台需要一定的开发投入。从中长期看,掌握这类先进仿真技术将增强我们在功率电子系统设计上的核心竞争力,支撑更高功率密度、更高可靠性产品的开发。