ISSN1006-7167第40卷第2期2021年2月CN31-1707/T RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY Vol.40No.2Feb.2021
・专题研讨——虚拟仿真实验(90)・DOI：10.19927/jki.syyt.2021.02.018
基于SIMPLIS软件的功率MOSFET
寄生参数仿真研究
冯兴田，王世豪，邵康
(中国石油大学(华东)新能源学院，山东青岛266580)
摘要：针对功率MOSFET关断时寄生参数对死区时间的影响问题，基于SIMPLIS
仿真软件和MOSFET的特点，建立MOSFET的仿真分析模型，并研究MOSFET寄生
参数与电路中米勒平台及关断时间的关系。建立MOSFET的寄生电容分段线性模
型，应用Matlab软件实现参数的对比分析，根据内部器件的工作原理确定其转移特
性和输出特性，利用图像数据获取MOSFET的等效模型，采用MOSFET搭建LLC
谐振变换器电路，通过不同条件下的仿真实验，得到寄生参数的影响规律。一系列
的仿真训练能够有效提高学生的仿真实践能力。
关键词:MOSFET寄生参数；米勒平台；关断分析
中图分类号:TM23；TM46文献标志码:A
文章编号：1006-7167(2021)02-0085-04
Simulation Research on Power MOSFET Parasitic
Parameters Based on Simplis Software
FENG Xing/ian,WANG SAiAao,SH4O Kang
(College of New Energy,China University of Petroleum(East China),Qingdao266580,Shandong,China)
Abstract:Aiming at the influence of parasitic parameters on the dead time of power MOSFET,based on SIMPLIS simulation software and the characteristics of MOSFET，this paper establishes a simul
ation analysis model by MOSFET，and studies the relationship between the parasitic parameters of MOSFET and the Miller platform and the turn-off time in the circuit.The piecewise linear model of parasitic capacitance of MOSFET is established.Parameters are compared and analyzed by MATLAB software.Transfer and output characteristics are determined according to the working principle of internal devices.An equivalent model of MOSFET is obtained by image data.The electric circuit of LLC resonant converter is built by MOSFET.The influence rule of parasitic parameters is obtained by simulation experiments under different conditions.A series of simulation training can effectively improve students'simulation practice ability.
Key words:MOSFET parasitic parameter；Miller platform；turn-off analysis
收稿日期：2020-04-23
基金项目：国家自然科学基金项目(51977220)山东省自然科学基金项目(ZR2019MEE094)；中国石油大学(华东)教学改革项目(KC-202029)
作者简介：冯兴田(1978-)，男，山东广饶人，博士，副教授，主要从事电力电子技术教学与实验研究。
Tel.：*************；E-mail：topfxt@163 0引言
功率器件MOSFET广泛应用于短路保护、电动机控制、开关电路〔T等场合，不同的设计需求促生了MOSFET的多种类型和有效的设计使用方法。文献[5]中通过采用新结构、新材料、新工艺等技术来提升功率MOSFET的性能，突破了传统MOSFET硅极限和SJ MOSFET硅极限关系，设计了一种高效节能的功率
86第40卷
M0SFET o文献［6/中结合SiC MOSFET的参数特性及驱动要求，采用了一种栅极有源箝位串扰抑制方法，设计了一种高效的SiC MOSFET驱动电路。文献［7］中则在Si基横向双扩散MOSFET模型的基础上，采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值压的变化，设计了一种减少工作温度影响的SiC 率MOSFET。
功率MOSFET在开关过程中要跨越线性工作区，形成电流和电压的交错区，从而产生一定的损耗，米勒平台就是在这个过程中形成的一段时间相对稳定的线性区3。在MOSFET的关断过程中，不同的寄生参数会改变电路中米勒平台的持续时间，导致关断时间过长，使MOSFET构成的高性能变换器失去零电压开关的优点电］。
本文基于SIMPLIS仿真软件和实际MOSFET特点，建立MOSFET的仿真模型，进行MOSFET寄生参数影响的研究，获取寄生参数影响规律。通过直观的仿真模型、仿真数据及波形，将抽象的内部参数关系展示给学生，便于学生理解和掌握该部分知识，在激发学生学习兴趣的同时，加深学生对MOSFET器件性能的理解。
1MOSFET寄生参数分析建模
为兼顾仿真速度和仿真精度，本文选用SIMPLIS 软件对MOSFET的寄生数据行行仿真分析。SIMPLIS 软件是以状态空间法为基础的仿真内核，对非线性器件可以采用分段线性建模，将一个完整的系统定义为线性电路结构的循环序列，以描述开关电源系统中半导体器件的开关特性。它可以实现电源电路的高速仿真，且能够将仿真精度与收敛性能有效结合［'-'3］。
图1所示为在SIMPLIS软件中搭建的MOSFET仿真模型。针对MOSFET的寄生电容进行分段线性建模，根据内部器件的工作原理确定其转移特性、输出特性和图像数据完成对MOSFET的建模。
D
S
图1Simplis中搭建的MOSFET模型
图中：c gs、C gd、C ds为MOSFET寄生电容，均采用分段线性（Piecewise linear,PWL、电容建模；G'为压控电流源；line为分段线性电阻；'为压控晶体管。PWL 电容器由x p平面上的一系列点定义，电荷（g）在垂直轴P上，电压（u）在水平轴x上。按照这个定义，随着电容器两端的电压变化，电荷始终是连续的。SIMPLIS 软件可以将一定电压范围内的PWL电容器的g-u的性定义为任意段。为了兼顾仿真速度与仿真精度，将MOSFET中的寄生电容参数线性段分为10段。
线性电容的g-u表达式为
C=Q/u（1）非线性电容的g-u表达式为：
C d=dQ/d u（2）
本文研究的MOSFET型号为C2M0080120D，在其数据手册中，官方给出了输入电容（漏源极短接，用交流信号测得栅极和源极之间的电容就是输入电容C i ss,C iss由栅漏电容C g d和栅源电容C g s并联而成）、输出电容（栅源极短接，用交流信号测得漏极和源极之间的电容就是输出电容C oss,C oss由漏源电容C ds和栅漏电容C g d并联而成）、反向传输电容（源极接地情况下：测得漏极和栅极之间的电容为反向传输电容C rss，反向传输电容等同于栅漏电容C gd）的电容-电压曲线, C g s和C d s可以由各电容并联关系计算得出。
利用数据提取软件采集数据手册中的图像数据和利用Matlab软件对数据进行处理，得到的C iss、C oss、几数据曲线如图2所示。C gsC心实际参数曲线及其PWL模型参数对比曲线如图3所示。C gs、C ds、C gd实际模型及其PWL模型的电荷-电压对比曲线如图4所。
103
101
工
吉102
°iss r1
fss
0100200300400500600
u/N
图2—C oss Cs数据曲线
103
102
101
工
Cgs实际参数曲线及其PWL模型参数曲线
Cds实际参数曲线及其P W L模型参数曲线
/夢际参数曲线及其PWL模型参数曲线
0100200300400500 600
u/N
图3C g s S心实际参数曲线及其PWL模型参数曲线
完成MOSFET寄生电容的分段线性建模之后，需要根据SIMPLIS中搭建的MOSFET 模型的内部器件的
第2期冯兴田，等：基于SIMPLIS软件的功率MOSFET寄生参数仿真研究87 100200300400500600
u/N
(a)S1的原理示意图(b)S1通、断状态下的等效电路
u u 'o
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0100200300400500600
u/N
2Q
Slope=l/J?off
(b)C gd实际模型及其PWL模型的3曲线
(c)C ds实际模型及其PWL模型的g曲线
图4CgsS C实际模型及其PWL模型的曲曲线
工作原理，来探究MOSFET的转移特性和输出特性，从而准确得到MOSFET的仿真模型。图5为针对图1中压控晶体管S］的分析，其中，图5(a MS】的原理示意图，图5(b、为S］导通和关断状态下的等效电路，图5(c MS】工作特性图。
(c)S1工作特性图
图5压控晶体管S1的原理示意图、等效电路及工作特性图
MOSFET的转移特性可以表示为：
c i()二gain(w()—〃止)()
通过R li ne可以控制gain，将MOSFET的转移特性进行分段控制，当U sat设置为0时，可变电阻区内任意仏gs下MOSFET导通电阻为R sat固定值，这一点与实际特性不符，但在研究MOSFET关断特性时,MOSFET导通电阻几乎不影响关断过程。所以MOSFET在饱和区以及可变电阻区的输出特性可以由图1中的G1、R line和S1联合表达。经过上述方法对这种MOSFET的建模见表1。
表1各寄生电容的分段参数
(a)C gd分段参数
u/V0  3.839.3429.070.1126196280377484600 Q/nC08.88  1.78  2.67  3.55  4.44  5.33  6.227.1188.88
(b)C g s分段参数
u/V060.8121181241300361420480540600 Q/nC064.9130195260325390455520584649
(c)C ds分段参数
u/V012.636.972.2118174240316402497600 Q/nC07.8715.723.631.539.347.255.162.970.878.1 o
2仿真设计与分析
为分析不同电路条件下MOSFET的关断过程，搭建以C2M0080120D型号MOSFET为开关器件的半桥LLC谐振变换器［4-15］仿真模型，如图6所示。
在5、20Q两种不同驱动电阻条件下,MOSFET的仿真关断过程(电路电流为8.8A)如图7所示。从仿真波形可见,MOSFET开关管在5Q驱动电阻下，触发脉冲关断时，了gs迅速下降，并不存在明显的米勒平台，设定MOSFET工作在饱和区的时间为米勒平台时间，此时米勒平台的持续时间为10.37ns，当米勒平台结束时，开关管漏源极并未充至电源电压。当驱动电阻为20Q时，米勒平台的持续时间为44.48ns，当米勒平台结束时，开关管漏源极已经完全充至电源电压
。
88第 40 卷
BYW81P
壮丕
TX1
Si
2Z Di
BYW81P-100
s parameterIN  口］ OUT
=OUT/IN
Mean=£ *01585 V  J -巾皿
Deadtime={DEADTIME}
LS_GATE  CONTROL
HS_SOURCE HS_GATE
POP_TRIGGER
LLCModulatorOpenLoop
士一
&
1V
10图6电路仿真模型
6.005249 pis  6.015618 ys
10.369036 ns
648
2
9076335
4.017112
(b ) 20 Q 驱动电阻下的关断波形
8.977383 3.925272
—5.052111
—
10
(a ) 5 Q 驱动电阻下的关断波形
6.005249 ps  6.015618 pis
10.369036 ns
图7不同驱动电阻下的仿真关断过程
2
6
8(a ) 8.8 A 条件下的关断波形
(%)400N  300s
s  200100
Q
A/SDX
- - - -  6.00    6.02    6.04
6.06    6.08    6.10
Z/|LIS
(b ) 1.8 A 条件下的关断波形
图8不同工作电流条件下的关断波形
8.977383 3.925272
—5052111
—
(下转第114
页)
114第40卷
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在5Q驱动电阻不变情况下依OSFET在不同工作电流下的关断波形如图8所示。电路工作电流8. 8A时，虽然MOSFET的总体关断时间较短，但米勒平台的持续时间为10.37ns；而当工作电流减小至1.8A 时，总体关断时间增长，但米勒平台的持续时间减小至6.67ns。
根据仿真结果分析可知：驱动电阻越小，同等条件下米勒平台持续时间越短，这是由于同等C gd放电
电流,dg条件下下、驱动电阻产生的反馈电压越小；这种反馈作用越小，米勒平台的电压值以及持续时间就越小。电路中的工作电流越小，在整个关断时间内，给寄生电容放电的电流越小，同样会降低米勒平台的幅值以及关断时间；当工作电流小到一定值时，米勒平台几乎不在在。
3结语
本文基于SIMPLIS软件对功率器件MOSFET的寄生参数进行仿真，分析并验证了MOSFET仿真参数关断时间的影响规律。通过建模分析以及一系列的仿真训练，能够加深学生对电力电子器件的理解，强化“电力电子技术”课程的教学研究，提高学生采用SIMPLIS、Matlab软件进行仿真分析的能力，有助于激发学生的学习科研兴趣。
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