碳化硅 （SiC）是一種越來(lái)越重要的半導(dǎo)體材料：用這種材料制造的電子元件越來(lái)越普遍和高效。最好的電子仿真程序已經(jīng)用這些組件豐富了他們的庫(kù)，這些組件現(xiàn)在在構(gòu)建功率器件的過(guò)程中是不可替代的。讓我們看看如何通過(guò) LTspice 程序?qū)牒褪褂肧iC MOSFET 庫(kù)，以及如何執(zhí)行任何類(lèi)型的電子仿真。

使用的 SiC MOSFET

您只需要在搜索引擎上輸入字符串“xxxxxxx SPICE MODEL”（其中 xxxxxxx 是所需組件的型號(hào)）即可找到相應(yīng)的 SPICE 型號(hào)。導(dǎo)入過(guò)程不是即時(shí)的，必須執(zhí)行一些步驟才能將組件正確導(dǎo)入到程序中。一些 SPICE 模型是付費(fèi)的，但大多數(shù)是免費(fèi)的。許多器件制造商和用戶還使用數(shù)學(xué)方程來(lái)定義 SiC 器件的行為。如果要使用官方數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)創(chuàng)建新模型（這是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作），則必須輸入最重要的參數(shù)：

L（澆口長(zhǎng)度）；

W（門(mén)寬）；

Vto（零偏置閾值電壓）；

KP（跨導(dǎo)參數(shù)）；

Tox（柵極氧化層厚度）；

等等。

但是，我們測(cè)試使用的模型是 ROHM 的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET SCT3160KL，如圖 1 所示。

圖 1：ROHM 的 SCT3160KL 碳化硅功率 MOSFET

其特點(diǎn)如下：

VDSS：1200 伏；

封裝：TO-247N；

RDS（開(kāi)）（典型值）：160 毫歐；

編號(hào)：17A；

脈沖漏極電流 ID：42 A；

功率：103 瓦；

柵源電壓 （DC）：-4 V 至 +22 V；

低導(dǎo)通電阻；

切換速度快；

快速反向恢復(fù)；

易于并聯(lián)。

設(shè)備符號(hào)

提供的說(shuō)明是通用的，適用于任何類(lèi)型的組件。第一步是設(shè)計(jì)電子元件。在網(wǎng)絡(luò)上有現(xiàn)成的符號(hào)，但設(shè)計(jì)師能夠繪制形狀是件好事。該程序提供了一個(gè)圖形編輯器，您可以使用它來(lái)準(zhǔn)確地繪制組件的形狀。在這里您可以繪制圓形、線條、矩形、文本和其他圖形元素。圖 2 顯示了 SiC 的符號(hào)設(shè)計(jì)。該文檔必須保存在擴(kuò)展名為“.asy”的工作簿中。在任何情況下，都可以避免創(chuàng)建新符號(hào)，因?yàn)槌绦蛑幸呀?jīng)有一個(gè)通用 MOSFET 符號(hào)。在這種情況下，需要修改 SPICE 模型，這就是為什么建議設(shè)計(jì)組件的原因。

圖 2：創(chuàng)建新的 SiC 組件

端口定義

端口的定義和對(duì)應(yīng)關(guān)系是一個(gè)基本的操作，與之前繪制的符號(hào)和相關(guān)的SPICE模型相關(guān)。如圖3所示，在符號(hào)文件中需要?jiǎng)?chuàng)建三個(gè)與SPICE模型中的端口同名的連接端口。這些門(mén)可以有任何類(lèi)型的名稱(chēng)，包括數(shù)字和字母數(shù)字（例如 1、2 和 3 或 D、G、S）。重要的是名稱(chēng)匹配。

圖3：圖形符號(hào)與SPICE模型的端口對(duì)應(yīng)關(guān)系

包含庫(kù)

此時(shí)，必須將包含文檔庫(kù)的文本文件復(fù)制到同一工作文件夾中。通常，它的擴(kuò)展名是“.lib”或“.txt”。在這種情況下，它是“sct3160kl_lt.lib”，其內(nèi)容如圖 4 所示。此外，必須在接線圖中定義 SPICE 指令以允許包含此庫(kù)。該指令如下：

.include sct3160kl_lt.lib

圖 4：SCT3160KL_LT SiC MOSFE 的庫(kù)內(nèi)容

設(shè)置組件屬性

在進(jìn)行實(shí)際模擬之前，您必須設(shè)置一些組件參數(shù)。如圖 5 所示，必須指定以下信息才能正確定義 MOSFET 的參考：

在“前綴”字段中，您必須輸入“X”，它指定子電路的創(chuàng)建；

在“值”字段中，您必須寫(xiě)出 SPICE 庫(kù)中存在的組件的名稱(chēng)，即 SCT3160KL_LT。

圖 5：為新組件指定的屬性

階段總結(jié)

為了促進(jìn) SiC MOSFET 的創(chuàng)建和導(dǎo)入過(guò)程，您可以按照以下步驟操作：

在網(wǎng)絡(luò)上搜索所需組件的 SPICE 庫(kù)；

繪制元件符號(hào)；

定義門(mén)，同時(shí)遵循 SPICE 模型；

在接線圖中包括庫(kù)；

設(shè)置組件屬性；

畫(huà)出接線圖。

對(duì)于更多 SiC MOSFET 型號(hào)，您始終可以使用相同的符號(hào)。我們現(xiàn)在準(zhǔn)備測(cè)試 MOSFET 并運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的靜態(tài)模擬。

接線圖

在圖 6 中，您可以看到一個(gè)簡(jiǎn)單的接線圖。這是在電路中執(zhí)行各種測(cè)量的典型配置，并且總是在官方組件數(shù)據(jù)表中指定。在圖中您可以找到以下元素，正如我們將從模擬中看到的，所有值都完全落在 MOSFET 的“絕對(duì)最大額定值”范圍內(nèi)：

主電源電壓：96 VDC （V1）；

柵極電壓：22 VDC；

負(fù)載：6 歐姆功率電阻。

圖 6：測(cè)試 SCT3160KL SiC MOSFET 的簡(jiǎn)單應(yīng)用方案

讓我們執(zhí)行 1 秒瞬態(tài)，觀察以下結(jié)果：

V （V1）：96 V；

V （D）：2.35 V；

V（G）：22V；

I（R1）：15.6A；

I（V1）：15.6A；

功率 （V1）：1498 瓦；

功率 （R1）：1462 瓦；

P（碳化硅）：36.67 瓦。

該組件在其限制范圍內(nèi)工作，并且可以從這些測(cè)量值中導(dǎo)出另外兩個(gè)重要參數(shù)：

RDS（ON）：R = V / I，R = V （D） / I （R1），R = 150.53 毫歐；

電路效率：Eff = Pout/Pin*100，P（R1）/P（V1）*100，Eff=97.55%

結(jié)論

雖然導(dǎo)入外部組件模型有一個(gè)更自動(dòng)化的過(guò)程，但我們建議您遵循手動(dòng)步驟。第一個(gè)，實(shí)際上，自動(dòng)化了與庫(kù)連接的所有過(guò)程，但創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形符號(hào)，沒(méi)有任何參考真正的符號(hào)。將任何電子元件導(dǎo)入您最喜歡的模擬器是一項(xiàng)非常有用的操作。由于采用了 SPICE 模型，即使是新組件和剛剛在市場(chǎng)上發(fā)布的組件也可以通過(guò)極其簡(jiǎn)單和安全的方式成功測(cè)試。

審核編輯：郭婷