背 景
SiC功率半導體器件憑借其顯著降低功率損耗等特性獲得眾多關注，其市場需求正不斷攀升。2010年，三菱電機開始將SiC功率半導體模塊商業化，這些模塊以肖特基勢壘二極管(SBD)和SiC-MOSFET為典型代表，用于空調、工業設備、鐵路車輛等逆變系統中，有助于降低功耗、減小變流器尺寸和重量。自今年7月起，三菱電機將開始提供最新的分立器件樣品：N系列1200V SiC-MOSFET
當使用分立器件開發變流器時，主功率回路和驅動回路的設計有必要通過仿真進行驗證。而使用傳統的SPICE模型，電流波形仿真精度較低，需要通過多種工況下的實驗數據來補充SPICE模型的仿真結果。
圖1：SiC MOSFET芯片截面圖(左)和開關波形實例分析(右)
(P區：注入鋁離子的SiC層；N區：注入氮離子的SiC層)近日，三菱電機株式會社宣布開發出高精度的仿真電路模型(SPICE, Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)，用于分析分立器件電路。該仿真技術已應用在N系列1200V SiC-MOSFET*樣品中，并將于本月發售該樣品。與傳統SPICE模型不同的是，三菱電機新開發的模型仿真的高速開關波形幾乎和實際測試結果一樣，目前其精度在業內無與倫比，這有望使變流器設計變得更加高效。未來，三菱電機計劃新增多個與溫度相關的參數，以實現SPICE模型在仿真器件高溫下運行的準確性。2020年7月8日，三菱電機在PCIM Europe國際研討會上展示了此仿真模型**。*Silicon-carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor**會議報告: T.Masuhara, T. Horiguchi, Y. Mukunoki, T. Terashima, N. Hanano and E. Suekawa.“Development of an Accurate SPICE Model for a New 1.2-kV SiC-MOSFET Device”SiC-MOSFET從漏極到源極的電流(漏極電流)是由柵極電壓決定的(圖2)。MOSFET內部含有寄生電容，其上積累的電荷并決定開關速度。當器件端子上施加電壓時，內部正電荷和負電荷數量就會發生改變，從而致使各層間距離隨之改變，進而導致寄生電容變化，最終影響開關速度的變化。當層間距離減小時，電容值增大，開關速度減小；反之，當層間距離增大時，電容值減小，開關速度增大。
三菱電機SPICE模型的準確性主要來源于對寄生電容和電壓依賴性的準確描述。在高速換流過程中對電流波形進行高精度仿真，這在以前的模型中是無法實現的。例如，在SiC-MOSFET的開通過程中，所有電壓和電流的仿真波形與實際實驗波形幾乎一致。漏極電流上沖的誤差從40%降低到15%(見圖3右)。
在額定電流范圍內，新模型能夠高精度仿真流過變流器的漏極電流。在變流器開發的早期階段，電路設計人員可以花更少的時間進行試驗驗證，提高工作效率。與以往不同，新模型還實現了SiC-MOSFET驅動電流波形(也即柵極電流波形)的高精度仿真，可以選擇最優的驅動器件來保證SiC-MOSFET的驅動電流，從而有可能降低成本。
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