概述電源電路設(shè)計中出現(xiàn)的挑戰(zhàn)
　　預(yù)計 WBG 功率器件將帶來諸多好處，尤其是顯著提高功率效率。這在汽車和工業(yè)應(yīng)用中尤其如此，因為降低能量損耗可以提高轉(zhuǎn)換效率。此外，高頻操作可減小直流鏈路電容器和電感器等外圍元件的尺寸，從而減小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的尺寸。此外，WBG 器件能夠在較高溫度下工作，從而減少或消除了對大型、重型冷卻系統(tǒng)的需求。
　　實際上，實現(xiàn)這些優(yōu)勢的道路上存在許多障礙。首先是由于 WBG 器件的速度而帶來的電路設(shè)計挑戰(zhàn)：目前，它們的速度比傳統(tǒng)硅 (Si) 器件快 10 到 100 倍。盡管電源轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)頻率不是特別高，但開關(guān)波形中的高頻分量很容易引起意外的電磁干擾 (EMI)。
　　雖然 EMI 也是 Si 基電源電路的一個問題，但在使用 WBG 器件時更難解決。原因：更快的器件會產(chǎn)生更快的電壓變化，可能導(dǎo)致場效應(yīng)晶體管 (FET) 的誤導(dǎo)通。如果發(fā)生這種情況，產(chǎn)生的浪涌電流將在器件中產(chǎn)生熱量。最壞的情況是原型設(shè)計災(zāi)難性故障。在電路中，雜散電容或雜散電感等寄生因素也會引起問題。例如，快速信號變化（例如 dv/dt 或 di/dt）會觸發(fā)與雜散電感和電容相關(guān)的本振（即振鈴）。
　　如果設(shè)備建模軟件能夠準(zhǔn)確預(yù)測高速 WBG 設(shè)備的行為，那么它就可以解決這些問題。遺憾的是，目前可用的電路仿真軟件都無法準(zhǔn)確模擬 WBG 設(shè)備執(zhí)行的高速功率轉(zhuǎn)換。
　　新型模擬與傳統(tǒng)模擬的比較
　　為了滿足這一需求，我們組織開發(fā)了一種新的方法來建模和模擬 WBG 設(shè)備。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的模擬將說明新方法相對于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。　　圖 1a 顯示了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器電路的模擬結(jié)果（紅色）與測量響應(yīng)（藍色）的關(guān)系。模擬是使用 SPICE 軟件和從制造商網(wǎng)站下載的傳統(tǒng)設(shè)備模型進行的。所有四條跡線都顯示偏差 dv/dt 和 di/dt：存在明顯的時間偏移、峰值電流差異和振鈴現(xiàn)象。相比之下，圖 1b 顯示了使用新方法產(chǎn)生的結(jié)果：模擬跡線和測量跡線之間的一致性更高。

　　圖 1a：傳統(tǒng)模擬與測量結(jié)果的比較　　所有四條軌跡都顯示出偏差 dv/dt 和 di/dt：存在明顯的時間偏移、峰值電流差異和振鈴現(xiàn)象。相比之下，圖 1b 顯示了使用新方法產(chǎn)生的結(jié)果：模擬軌跡和測量軌跡之間的一致性更高。

　
　　圖1b：新方法與相同測量結(jié)果的比較。
　　實現(xiàn) WBG 設(shè)備的更佳模擬
　　器件模型是每個電路仿真的基本要素。然而，目前尚無準(zhǔn)確表示功率器件行為的標(biāo)準(zhǔn)模型。
　　在器件模型的任何實際應(yīng)用中，可微分的數(shù)學(xué)表示都是可取的，原因有二：它能夠加快仿真的收斂速度，并且對于無法訪問物理參數(shù)的電路設(shè)計人員特別有用。對于 Si 器件和SiC MOSFET，是德科技開發(fā)了一種利用數(shù)學(xué)方程的模型。這增強了在各種條件下忠實表示器件行為的能力。如以下部分所示，這些方程是從對真實器件的測量中得出的
　　獲得高功率 IV 曲線設(shè)備　　模型通常使用 IV 曲線和 CV 曲線創(chuàng)建。對于電源電路，IV 曲線是更好的選擇。即便如此，使用曲線追蹤器（通過其集成的 LCR 表）測量的 IV 曲線僅覆蓋有限的區(qū)域，無法捕捉具有電感負載的電源電路的開關(guān)軌跡（圖 2a）。

　　圖 2a：使用曲線追蹤器測量的開關(guān)軌跡（黃色）和 IV 曲線（紅色）。

　
　　圖 2b：使用雙脈沖測試儀測量的開關(guān)特性得出的高功率 IV 曲線。
　　測量關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)的 S 參數(shù)
　　表征器件寄生參數(shù)（例如漏極電感和源極電感）非常重要，因為它們是振鈴的主要原因。提取寄生參數(shù)值的最佳方法之一是在 FET 處于關(guān)閉狀態(tài)時執(zhí)行 S 參數(shù)測量。雖然這種方法在電力電子行業(yè)并不常用，但由此產(chǎn)生的寄生參數(shù)測量結(jié)果可以改善 WBG 器件的仿真結(jié)果。
　　這是典型曲線追蹤儀無法提供足夠功率的局限性。即使儀器可以提供更多功率，測量結(jié)果也會受到測試期間長脈沖引起的功率產(chǎn)生的熱量的不利影響。另一種選擇是“雙脈沖測試儀”或 DPT 系統(tǒng)。由于 DPT 系統(tǒng)可以執(zhí)行快速脈沖測量，因此它可以從測量的開關(guān)特性中得出高功率 IV 曲線（圖 2b）。使用這種方法，得到的 IV 曲線覆蓋了整個開關(guān)軌跡，從而提高了后續(xù)模擬的質(zhì)量。　　FET 的電容也很重要，尤其是柵極-漏極電容 (Cgd) 和柵極-源極電容 (Cgs)。可以使用具有漏極-源極偏置的 LCR 表測量這些電容。但是，這些測量是在 FET 處于關(guān)閉狀態(tài)時進行的。當(dāng)器件開啟或施加?xùn)艠O電壓時，Cgd 會發(fā)生變化（圖 3）。

　
　　圖3：Cgd的導(dǎo)通特性隨Vgs和測試電路而變化。　　可以使用高電流偏置 T 來表征這些值，該偏置 T 阻止直流電流流入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA)，如圖 4 所示。由于 Cgd 的變化與切換過程中存在的電荷量有關(guān)，因此該值對于準(zhǔn)確模擬切換中的時間滯后至關(guān)重要。

　　
　　圖 4：用于表征導(dǎo)通狀態(tài) S 參數(shù)的測量裝置。　　分析電磁效應(yīng) 穩(wěn)健的器件模型將顯著改善電路仿真。然而，僅憑這一點還不足以準(zhǔn)確模擬電源電路。由于電路內(nèi)寄生效應(yīng)在引起振鈴、浪涌等問題方面起著重要作用，因此還需要考慮電路布局中的寄生效應(yīng)。加入電磁 (EM) 分析會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖 5 所示。

　　圖 5：沒有（左）和有（右）電路布局電磁仿真（中）的仿真結(jié)果比較。
　　一旦達到這種水平的模擬精度，兼容的高頻設(shè)計模擬軟件可以提供額外的功能，如頻域分析（例如，診斷 EMI 相關(guān)問題）和電流密度曲線的動畫（圖 6）。　　可以使用高電流偏置 T 來表征這些值，該偏置 T 阻止直流電流流入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA)，如圖 4 所示。由于 Cgd 的變化與切換過程中存在的電荷量有關(guān)，因此該值對于準(zhǔn)確模擬切換中的時間滯后至關(guān)重要。

　　圖 6：兼容軟件為高頻仿真提供的附加功能示例。
　　概述解決方案
　　圖 7 展示了電源電路仿真的全面愿景：它涵蓋了測量、建模和仿真。各種測量為穩(wěn)健的仿真提供了基礎(chǔ)。例如，IV/CV 和 S 參數(shù)測量解決方案為器件建模提供了現(xiàn)成的表征（分別是 Keysight PD1000A 和 ENA 系列）。動態(tài)器件分析儀/雙脈沖測試儀提供了仿真驗證所需的開關(guān)表征，還支持推導(dǎo)高功率 IV 曲線（Keysight PD1500A）。　　仿真軟件完善了這一愿景（Keysight Pathwave ADS）。這里使用的軟件受益于 75 年積累的創(chuàng)建業(yè)界領(lǐng)先 RF 工具的專業(yè)知識。使用這種先進的軟件可以減少或消除原型設(shè)計周期，同時提高新電源電路開發(fā)的速度和質(zhì)量。

　　圖 7：出色的測量結(jié)果和更好的模型使增強的模擬效果超越了使用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建的模擬效果。