MOSFET开关管特性模型建立方法、装置、设备及介质与流程

mosfet开关管特性模型建立方法、装置、设备及介质
技术领域
1.本发明属于电子器件特性建模技术领域，尤其涉及mosfet开关管特性模型建立方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.随着新能源发电产业的大力发展，风光场站均需通过逆变器与电网之间进行交互。为进一步提高逆变器性能，实现更高功率密度，作为逆变器重要组成部分的半导体开关管成为关注重点。
3.碳化硅mosfet作为更高效、高功率密度的开关器件，其优越的性能拥有极大应用潜力。目前而言，建模和仿真是研究和分析mosfet 开关管的常用方法，利用精确的模型可准确预测开关管的特性，为逆变器的拓扑设计、控制系统参数整定提供有力指导。
4.而目前的mosfet建模方案存在以下不足：
5.(1)传统建模方案采用等效电路模型的方式，等效后的简化电路虽可准确体现开关管的特性，但其本质仅为分析模型，不能运用于实际电路的仿真中。
6.(2)mosfet的动态特性主要取决于器件内部的寄生电容参数，寄生电容模型的精度将直接影响开关管模型在仿真中的动态表现，影响仿真准确度。现有的建模方案对于内部寄生电容的构建进行了不同程度的简化，故而对最终模型的可靠性有一定影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了mosfet开关管特性模型建立方法、装置、设备及介质,构建可准确描述电力电子器件mosfet开关特性的仿真模型，首先基于器件厂家提供的mosfet 双脉冲试验结果数据手册，推导得出mosfet的静态特性模型关键参数(阈值电压、跨导系数等)，建立mosfet的静态特性数学模型。而后针对mosfet内部存在的多个非线性寄生电容，通过双曲正切函数、分段非线性拟合的方式分别进行数学描述，构建更为精确的仿真数学模型，提高mosfet分析模型的可靠性。
8.本发明目的通过下述技术方案来实现：
9.mosfet开关管特性模型建立方法，所述方法包括：
10.获取mosfet开关管构建静动态模型所需的特性曲线及参数；
11.根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数kn和阈值电压v
th
；
12.构建mosfet开关管的静态特性模型和动态特性模型，所述动态特性模型包括栅源极间电容特性数学模型、栅漏极间电容特性数学模型和漏源极间电容特性数学模型。
13.进一步的，所述构建静动态模型所需的特性曲线及参数包括输入特性曲线、输出特性曲线、转移特性曲线、mosfet通道宽度w、mosfet 通道长度l和沟道长度的相对变化量λ。
14.进一步的，所述根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲
线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数kn和阈值电压v
th
步骤具体包括：
15.判断mosfet开关管的栅源电压v
gs
和阈值电压v
th
的大小，若 v
es
小于v
th
则mosfet开关管不能导通，漏极电流id为0；若v
es
大于 v
th
则mosfet开关管正常导通，mosfet开关管工作区间分为饱和区间和线性区间；
16.饱和区间表达式为：
[0017][0018]
线性区间表达式为：
[0019][0020]
其中，a是与mosfet开关管基底相关的无量纲的制造参数，v
ds
为漏源电压；
[0021]
在mosfet开关管的输出特性曲线的饱和区间内任取两点a(v1，i1)和b(v2，i2)，将两点对应值带入饱和区间，再将饱和区间表达式与线性区间表达式联立获得制造参数kn和阈值电压v
th
。
[0022]
进一步的，所述栅源极间电容特性数学模型通过双曲正切函数建立。
[0023]
进一步的，所述栅源极间电容特性数学模型还通过分段处理，引入双曲正切整定系数，可根据不同mosfet开关管的关断电压和阈值电压对整定系数进行修改。
[0024]
进一步的，所述栅漏极间电容特性数学模型通过mosfet开关管在开通过程中充电电荷与栅极电流之间的关系建立。
[0025]
进一步的，所述漏源极间电容特性数学模型通过根据实际漏源电容值设定的多重拟合式替代二极管内置结电势建立。
[0026]
另一方面，本发明还提供了一种mosfet开关管特性模型建立装置，包括：
[0027]
获取模块，用于获取mosfet开关管构建静动态模型所需的特性曲线及参数；
[0028]
计算模块，用于根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数和阈值电压；
[0029]
模型建立模块，用于构建mosfet开关管的动态特性模型，所述动态特性模型包括栅源极间电容特性数学模型、栅漏极间电容特性数学模型和漏源极间电容特性数学模型。
[0030]
可选地，获取模块获取的所述构建静动态模型所需的特性曲线及参数包括输入特性曲线、输出特性曲线、转移特性曲线、mosfet通道宽度w、mosfet通道长度l和沟道长度的相对变化量λ。
[0031]
可选地，计算模块根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数kn和阈值电压v
th
步骤具体包括：
[0032]
判断mosfet开关管的栅源电压v
gs
和阈值电压v
th
的大小，若 v
es
小于v
th
则mosfet开关管不能导通，漏极电流id为0；若v
es
大于 v
th
则mosfet开关管正常导通，mosfet开关管工作区间分为饱和区间和线性区间；
[0033]
饱和区间表达式为：
[0034][0035]
线性区间表达式为：
[0036][0037]
其中，a是与mosfet开关管基底相关的无量纲的制造参数，v
ds
为漏源电压；
[0038]
在mosfet开关管的输出特性曲线的饱和区间内任取两点a(v1，i1)和b(v2，i2)，将两点对应值带入饱和区间，再将饱和区间表达式与线性区间表达式联立获得制造参数kn和阈值电压v
th
。
[0039]
可选地，模型建立模块通过双曲正切函数建立所述栅源极间电容特性数学模型。
[0040]
可选地，模型建立模块对所述栅源极间电容特性数学模型还通过分段处理，引入双曲正切整定系数，可根据不同mosfet开关管的关断电压和阈值电压对整定系数进行修改。
[0041]
可选地，模型建立模块通过mosfet开关管在开通过程中充电电荷与栅极电流之间的关系建立所述栅漏极间电容特性数学模型。
[0042]
可选地，模型建立模块通过根据实际漏源电容值设定的多重拟合式替代二极管内置结电势建立所述漏源极间电容特性数学模型。
[0043]
另一方面，本技术提供了一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现上述的任意一种mosfet开关管特性模型建立方法。
[0044]
另一方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现上述的任意一种mosfet开关管特性模型建立方法。
[0045]
本发明的有益效果在于：
[0046]
(1)本发明能够建立直观且具体的数学模型，可基于各种仿真环境构建，模型适用性强。本发明在mosfet建模过程中考虑了器件多个寄生单元对于其特性的影响，在动、静态建模过程中均采用数学模型描述器件物理意义，可基于不同的仿真环境构建具体的仿真模型，利于进行包含控制系统和复杂拓扑结构的电路仿真。
[0047]
(2)本发明优化静态寄生参数的获取方式，提高模型可靠性。本发明在mosfet静态特性建模过程中，通过输出特性曲线饱和区域的数据点，推导求解出数据手册或双脉冲试验未能提供的寄生参数，提高模型的可靠性。
[0048]
(3)本发明准确描述寄生电容的非线性，使模型有效运用于分析器件开关过程动态特征。本发明在对器件寄生电容c
gs
建模中，采用分段双曲正切函数的方式描述c
gs
的非线性特征；对c
gd
建模时利用充电电荷与栅极电流的关系式；对c
ds
建模时采用拟合公式替代常规物理量v
bi
；总体提高了模型对于器件cv特性描述的准确性。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例1提供的mosfet开关管特性模型建立方法流程示意图；
[0050]
图2是一种常规的mosfet开关管的等效模型结构图；
[0051]
图3是一种1.2kv-mosfet器件特性曲线示意图，图3(a)所示的输出特性曲线是漏极电流i
d-漏源电压v
ds
的曲线，图3(b)所示的转移特性曲线为i
d-栅源电压v
gs
的曲线，图3(c)所示的cv特性曲线为c
iss
、c
rss
、c
oss
与v
ds
之间相关性的曲线；
[0052]
图4是双曲正切函数示意图；
[0053]
图5是mosfet开通过程的部分电气量暂态波形示意图，图5 (a)是v
ds
，v
gs
，ig暂态波形，图5(b)是栅极电容充电特性；
[0054]
图6是漏源电容c
ds
的cv特性趋势示意图；
[0055]
图7是本发明实施例2提供的mosfet开关管特性模型建立装置结构框图。
具体实施方式
[0056]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0057]
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
实施例1
[0059]
传统建模方案采用等效电路模型的方式，等效后的简化电路虽可准确体现开关管的特性，但其本质仅为分析模型，不能运用于实际电路的仿真中。mosfet的动态特性主要取决于器件内部的寄生电容参数，寄生电容模型的精度将直接影响开关管模型在仿真中的动态表现，影响仿真准确度。现有的建模方案对于内部寄生电容的构建进行了不同程度的简化，故而对最终模型的可靠性有一定影响。
[0060]
为了解决这一技术问题，提出本发明的mosfet开关管特性模型建立方法的各个实施例。
[0061]
参照图1，如图1所示是本实施例提供的一种mosfet开关管特性模型建立方法的流程示意图，该方法具体包括以下步骤：
[0062]
s100：获取mosfet开关管构建静动态模型所需的特性曲线及参数。
[0063]
s200：根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数kn和阈值电压v
th
。
[0064]
s300：构建mosfet开关管的静态特性模型和动态特性模型，所述动态特性模型包括栅源极间电容特性数学模型、栅漏极间电容特性数学模型和漏源极间电容特性数学模型。
[0065]
参照图2，如图2所示是一种常规的mosfet开关管的等效模型结构图。其中d代表mosfet的漏极，g代表mosfet的栅极，s 代表mosfet的源极。栅极作为mosfet开关的驱动信号输入端，控制器件开断。漏极电感ld、栅极电感lg、源极电感ls分别为 mosfet三个端口上
的寄生电感；漏极电阻rd、源极电阻rs、栅极电阻rg分别为三个端口上的寄生电阻，电阻值的大小对于静态特性影响较大；栅漏极间电容c
gd
、栅源极间电容c
gs
、漏源极间电容c
ds
分别为三个端口之间的寄生电容，其值是影响mosfet的动态特性的关键参数。需要注意的是，mosfet厂家提供的出厂数据手册中普遍以输入电容c
iss
、输出电容c
oss
和转移电容c
rss
来描述器件的cv 特性。输入电容c
iss
、输出电容c
oss
和转移电容c
rss
可通过以下方式得到：
[0066]ciss
＝c
gs
c
gd
[0067][0068]
在mosfet的静态建模之前，需首先获取器件的输入特性、输出特性、转移特性曲线，以及数据手册中mosfet通道宽度w、 mosfet通道长度l；沟道长度的相对变化量λ。本实施例以一种 1.2kv-mosfet器件为例，参照图3，如图3所示是该1.2kv-mosfet 器件特性曲线示意图。
[0069]
图3(a)所示的输出特性曲线为漏极电流i
d-漏源电压v
ds
的曲线，从图3(a)中可以看出，在不同区间范围，id与v
gs
相关性不同，采用描述函数的方式列写出id的表达式，饱和区间表达式为：
[0070][0071]
线性区间表达式为：
[0072][0073]
式中w为mosfet通道宽度、l为mosfet通道长度；λ为沟道长度的相对变化量，相关参数可由数据手册获取。
[0074]kn
为一个单位为a/v2的制造参数，它可以捕获每单位面积的氧化物电容和电子通道迁移率。与器件材料的性质有关，kn＝μ
ecox
，其中μe是电子的迁移率，c
ox
是氧化物的单位面积的电容，相关参数不易获取，故后续需通过计算得出；
[0075]
a是与器件基底相关的无量纲的制造参数，其值通常介于1和2 之间。这是一个自定义的经验值，用于说明随着漏极电压的增加，耗尽层在器件漏极端的延伸程度；
[0076]
此时在图3(a)的输出特性曲线的饱和区间内任取两点，定义这两点的对应值是a点(v1，i1)和b点(v2，i2)，此两点参数已知，且λ、a为已知，则将两点对应值带入公式饱和区间表达式，两式中未知参数仅有v
th
、kn，联立即可求解。在获取到v
th
、kn后，结合数据手册提供的其他必需的寄生参数则可以描述出器件的静态特性：
[0077][0078]
对于mosfet的动态特性建立，实际可转换为对3个寄生电容的数学建模。
[0079]
首先对c
gs
进行建模，c
gs
电容值本身变化较小，有些传统建模方法将其视为常数，则使得描述不够准确。根据输入电容c
iss
和转移电容c
rss
的表达式可得c
gs
＝c
iss-c
rss
，同时结合图3(c)的cv特性曲线即可计算得出c
gs
在整个变化区间内的最大值c
gsx
和最小值c
gsn
。
[0080]
已知的是c
gs
会随v
gs
的变化而发生一定程度非线性变化，其规律是当v
gs
小于0，处于关断过程中时，c
gs
会随v
gs
的绝对值增大而非线性增大直到v
gs
的值超过关断电压v
st
，此时c
gs
电容值稳定在 c
gsx
；当v
gs
大于0，处于导通过程中时，c
gs
会随v
gs
的值增大而非线性减小直到v
gs
的值达到阈值电压v
th
，此时c
gs
电容值稳定在c
gsn
。 c
gs
的非线性变化特性可以由双曲正切函数tanh(x)来描述，而在v
gs
不同区间的不同特性，可以采用分段函数来体现。参照图4，图4是双曲正切函数示意图。从图4中可以看出，由于双曲正切函数tanh(x) 自身在正数和负数区间的拐点分别是x＝
±
4，但c
gs
的拐点取决于 mosfet自身的关断电压和阈值电压值，因此应在双曲正切函数中添加整定因数a、b，其值与v
st
和v
th
相关，此时即可获得c
gs
的数学模型公式：
[0081][0082]
进一步对c
gd
进行建模。建模过程中需首先获取mosfet器件自身在开通过程中部分电压、电流和充电电荷数据。参照图5，如图 5所示为mosfet开通过程的部分电气量暂态波形示意图，这部分数据通过双脉冲试验测得，可由器件厂家提供，也可自行通过搭建试验平台进行实测。
[0083]
从图5(a)中可见，在t
0-t1时间段v
gs
电压开始初步提高，此时 mosfet尚未开通，漏源电压v
ds
未开始降低并恒定在电压v
ds(s)
，输入电容c
iss
在此期间进行充电。而后v
gs
电压达到中间值v
gs(m)
，并在 t1–
t3时间段保持恒定，同时由于电压v
ds
降低，最后达到稳定值v
ds(e)
，所以在t1–
t3之间δv
gd
＝δv
ds
。需要指出的是，图中所示的v
ds(m)
所示的是v
ds
减小过程中的中间值，其值v
ds(m)
＝v
gs(m)
。此时，假定栅极电流ig在t
1-t3时间段为恒定的i
g(m)
。根据充电电荷公式q＝uc和电荷量计算公式q＝it，即可得出c
gd
的数学模型表达式：
[0084][0085]
进一步对漏源极电容c
ds
进行建模。传统的建模方法是由漏源极端子之间的寄生二极管结电容来作为描述函数的拟合因子。其电容表达式如下所示：
[0086][0087]
其中c
ds(0)
是零偏置漏源电容值，可以通过图3(c)中的数据计算得出。v
bi
是二极管内置结电势，m是分级系数，此两值可以视为根据 cv特性来进行整定的拟合因子。而c
ds
的cv特性曲线趋势如图6 所示，可明显观察到电容值变化趋势存在一个拐点，拐点前后电容值
变化斜率不同。故根据此现象，对c
ds
的数学模型进行优化，v
bi
虽有实际物理意义，但在建模过程中可仅考虑为拟合参数，因此可以将 v
bi
直接替换为一个拟合公式(1 n)
p
，n、p均为自主设定参数，取决于实际c
ds
值。(1 n)
p
的函数曲线与图6所示的变化趋势刚好对称，在公式中作为v
ds
的分母，可有效形成分段效果，模拟处c
ds
随电压变化的拐点现象，最终获得的漏源极电容c
ds
模型的数学表达式为：
[0088][0089]
根据本实施例提供的模型建立方法所建立的mosfet开关管特性模型能够用于实际电路的仿真，且寄生电容模型的精度更高，仿真的准确度更高，模型更加可靠。
[0090]
本发明提供的mosfet开关管特性模型建立方法可准确描述电力电子器件mosfet开关特性的仿真模型，首先基于器件厂家提供的 mosfet双脉冲试验结果数据手册，推导得出mosfet的静态特性模型关键参数，建立mosfet的静态特性数学模型。而后针对mosfet内部存在的多个非线性寄生电容，通过双曲正切函数、分段非线性拟合的方式分别进行数学描述，构建更为精确的仿真数学模型，提高mosfet 分析模型的可靠性。
[0091]
实施例2
[0092]
如附图7所示是本实施例提供的一种mosfet开关管特性模型建立装置，该装置具体包括以下模块：
[0093]
获取模块10，用于获取mosfet开关管构建静动态模型所需的特性曲线及参数。
[0094]
计算模块20，用于根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数和阈值电压。
[0095]
模型建立模块30，用于构建mosfet开关管的动态特性模型，所述动态特性模型包括栅源极间电容特性数学模型、栅漏极间电容特性数学模型和漏源极间电容特性数学模型。
[0096]
作为一种实施方式，获取模块10获取的所述构建静动态模型所需的特性曲线及参数包括输入特性曲线、输出特性曲线、转移特性曲线、mosfet通道宽度w、mosfet通道长度l和沟道长度的相对变化量λ。
[0097]
作为一种实施方式，计算模块20根据mosfet开关管在线性和饱和区间的id数学模型，结合特性曲线饱和区间的数据联立求解出构建模型所需的制造参数kn和阈值电压v
th
步骤具体包括：
[0098]
判断mosfet开关管的栅源电压v
gs
和阈值电压v
th
的大小，若 v
es
小于v
th
则mosfet开关管不能导通，漏极电流id为0；若v
es
大于 v
th
则mosfet开关管正常导通，mosfet开关管工作区间分为饱和区间和线性区间；
[0099]
饱和区间表达式为：
[0100][0101]
线性区间表达式为：
[0102][0103]
其中，a是与mosfet开关管基底相关的无量纲的制造参数，v
ds
为漏源电压；
[0104]
在mosfet开关管的输出特性曲线的饱和区间内任取两点a(v1， i1)和b(v2，i2)，将两点对应值带入饱和区间，再将饱和区间表达式与线性区间表达式联立获得制造参数kn和阈值电压v
th
。
[0105]
作为一种实施方式，模型建立模块30通过双曲正切函数建立所述栅源极间电容特性数学模型。
[0106]
作为一种实施方式，模型建立模块30对所述栅源极间电容特性数学模型还通过分段处理，引入双曲正切整定系数，可根据不同 mosfet开关管的关断电压和阈值电压对整定系数进行修改。
[0107]
作为一种实施方式，模型建立模块30通过mosfet开关管在开通过程中充电电荷与栅极电流之间的关系建立所述栅漏极间电容特性数学模型。
[0108]
作为一种实施方式，模型建立模块30通过根据实际漏源电容值设定的多重拟合式替代二极管内置结电势建立所述漏源极间电容特性数学模型。
[0109]
本实施例提供的mosfet开关管特性模型建立装置，可准确描述电力电子器件mosfet开关特性的仿真模型，首先基于器件厂家提供的mosfet双脉冲试验结果数据手册，推导得出mosfet的静态特性模型关键参数，建立mosfet的静态特性数学模型。而后针对mosfet内部存在的多个非线性寄生电容，通过双曲正切函数、分段非线性拟合的方式分别进行数学描述，构建更为精确的仿真数学模型，提高 mosfet分析模型的可靠性。
[0110]
实施例3
[0111]
本优选实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以实现本技术实施例所提供的mosfet开关管特性模型建立方法任一实施例中的步骤，因此，可以实现本技术实施例所提供的mosfet开关管特性模型建立方法的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
[0112]
实施例4
[0113]
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。为此，本发明实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的mosfet 开关管特性模型建立方法中任一实施例的步骤。
[0114]
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、磁盘或光盘等。
[0115]
由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本发明实施例所提供的任一mosfet开关管特性模型建立方法实施例中的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一mosfet开关管特性模型建立方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
[0116]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。