device modeling of power device
DESCRIPTION
Device Modeling of POWER Device, Power Point Version by Bee Technologies. website is http://www.bee-tech.comTRANSCRIPT
パワーデバイス (SBD, パワー MOSFET,IGBT)
デバイスモデリング
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
株式会社ビー・テクノロジーhttp://www.bee-tech.com
1. ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング 1.1 SiC: シリコン・カーバイド1.2 任意温度におけるシミュレーション2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング (Cool MOS)3 . IGBT のデバイスモデリング
DBEDE
DDSDO
85
C
RC29.7415m
81
RE
17.5m
83
82
CGE2.05n
Collector
RG
5
Gate
Emitter
M3MFIN03
Q3QOUT03
Gate G
D3 DGD
R1110Meg
+-
+-
S1S
VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1m
G02
+ -
+ -
S2S
VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1m
CGD_MAX4.30E-9
R12 10Meg
G01
LE
7.50n
1 273 E
PARAMETERS:IS = 2.51e-16NF = 1.2194BF = 4.8832CJE = 6.10nTF = 17nXTB = 1.3L = 1e-6W = 1e-6KP = 630.2292mVTO = 5.0035THETA = 4.8432mVMAX = 1.8469Meg
1 .ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング
Si から SiC( シリコン・カーバイド ) への期待
SiC( シリコン・カーバイド ) は 3 つの大きな特徴があります。
(1) リカバリー時間が非常に小さい
SiC デバイスは多数キャリア・デバイスの為、蓄積された少数キャリアがありません。よって、逆回復電流がありません。これは -di/dt 法で逆回復特性を測定した場合の trr が非常に小さい値である事を意味します。
(2) ブレークダウン電圧がシリコンの約 10 倍
Si デバイスと比較して約 10 倍高い SiC デバイスは、オン抵抗を低くする事が出来、これが大きな特徴になります。
(3) バンドギャップが Si デバイスの約 3 倍
スパイスのモデルパラメータでは EG に相当します。 Si デバイスの場合、EG=1.11 ですが、 SiC(6H) の場合、 EG=2.86 、 SiC(4H) の場合、 EG=3.02 となります。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
SiC ショットキ・バリア・ダイオードの等価回路図 (Bee Technologies Model)
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
K
R1
10MEG
V_Ifwd
0Vdc
D4CSD01060
Vrev
0
0D3
CSD01060
N00040
IN2
I_rev
R3
10MEG
IN
E4
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_rev0
E6
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
E1
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R2
10MEG
V_V_I
0Vdc
E2
ETABLE
OUT+OUT-
IN+IN-
Vrev1
A
V_Irev0Vdc
E3
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Vr_small
逆方向特性を表現する等価回路モデルにて精度向上
Vr
Ir
y=ln(Ir)
k=ln(A) m=B*傾き ln(e)
y=m*Vr+Aln(Ir)=Vr*B*in(e)+ln(A)
Vr_small
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
D1FSQ05A04_25DEG01
V_I
0Vdc
IN
E1
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Vrev
0
V_Irev0Vdc
Vrev1E2
V(Vrev)
ETABLE
OUT+OUT-
IN+IN- R1
10Meg
Vr_smallE3
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R2
10Meg
I_rev0
D2
A
E4
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R3
10Meg
I_rev
E6
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
0
V_Ifwd0Vdc
K
IN2
PSpice MODEL*$* PART NUMBER:CSD01060A * MANUFACTURER: Cree, Inc.* VRM=600,Io=1A* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2005.SUBCKT CSD01060A PIN1 PIN2 CASEX_U1 PIN2 CASE CSD01060_proR_Rs PIN1 CASE 10u.ENDS*$.SUBCKT CSD01060_pro A K V_V_I A N00040 0VdcV_V_Ifwd IN2 K 0VdcE_E1 VREV 0 VALUE { IF(V(A,K)>0, 0,V(A,K)) }・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
D_D4 VREV1 0 DCSD01060 R_R2 0 I_REV0 10MEG R_R3 0 I_REV 10MEG.MODEL DCSD01060 D+ IS=10.000E-21 N=.84507 RS=.37671 IKF=12.100+ CJO=111.88E-12 M=.39264 VJ=.54581+ BV=1000 IBV=20.000E-6+ ISR=0 NR=1 EG=3.0 TT=0.ENDS*$
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
Forward Current Characteristic
V_V1
0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0VI(R1)
0A
0.2A
0.4A
0.6A
0.8A
1.0A
1.2A
1.4A
1.6A
1.8A
2.0A
P I N 1
P I N 2C A S E
R 1
0 . 0 1 m
V 10 V d c
0
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
Junction Capacitance Characteristic
V(U1:K)
10V 100V5.0V 400VI(V2)/(600v/1us)
0
5p
10p
15p
20p
25p
30p
35p
40p
45p
50p
V 2
0 V d cP I N 1
P I N 2C A S E
0
V 1
TD = 0
TF = 1 0 n sP W = 5 0 u sP E R = 1 0 u s
V 1 = 0
TR = 1 u s
V 2 = 6 0 0
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
Reverse Characteristic
V_V1
0V 0.2KV 0.4KV 0.6KV 0.8KV 1.0KVI(R1)
0A
10uA
20uA
30uA
40uA
50uA
V 10 V d c
R 1
0 . 0 1 m
0
P I N 1
P I N 2C A S E
1.1 ショットキ・バリア・ダイオードのデバイスモデリング(SiC)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
【サーマルデバイスモデリング】
ショットキバリアダイオードの任意温度における電気的動作のシミュレーション可能な等価回路モデルについて
□ 各温度別にモデルを抽出する方法□ ジャンクション温度 Tj を指定して任意の温度モデルを 表現する方法□ デバイスに消費される電力からデバイスの温度を算出 して温度特性を表現する方法
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
各温度別にモデルを抽出する方法
【前提条件】
対象デバイスはショットキバリアダイオードとし、順方向特性と逆方向特性についてモデリングしている。損失を考慮すると、順方向損失、逆方向損失、スイッチング損失 ( リカバリー損失 ) が存在するが、ショットキバリアダイオードの場合、リカバリー時間はほぼ、 0 とみなされる為、接合容量及びリカバリー時間は考慮していない。
【モデリングの特徴】
各温度パラメータの抽出について N は全てのモデルで一定でRS は温度上昇に伴い増加するように抽出した。
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
各温度におけるモデルパラメータ値
25℃ モデル.MODEL FSQ05A04_25deg01 D(IS=1.7030E-6 N=.99724 RS=16.691E-3 IKF=3.1359+ XTI=3.0 EG=.69 CJO=1.3400E-9 M=.55265 VJ=.41566 BV=40 IBV=5.0000E-3)
50℃ モデル.MODEL FSQ05A04_50deg01 D(IS=12.312E-6 N=.99724 RS=18.376E-3 IKF=.87071+ XTI=3.0 EG=.69 CJO=1.3400E-9 M=.55265 VJ=.41566 BV=40 IBV=5.0000E-3)
80℃ モデル.MODEL FSQ05A04_80deg01 D(IS=173.27E-6 N=.99724 RS=20.150E-3 IKF=.30389+ XTI=3.0 EG=.69 CJO=1.3400E-9 M=.55265 VJ=.41566 BV=40 IBV=5.0000E-3)
100℃ モデル.MODEL FSQ05A04_100deg01 D(IS=1.5091E-3 N=.99724 RS=21.970E-3 IKF=.15082+ XTI=3.0 EG=.69 CJO=1.3400E-9 M=.55265 VJ=.41566 BV=40 IBV=5.0000E-3)
150℃ モデル.MODEL FSQ05A04_150deg01 D(IS=19.650E-3 N=.99724 RS=23.460E-3 IKF=89.400E-3+ XTI=3.0 EG=.69 CJO=1.3400E-9 M=.55265 VJ=.41566 BV=40 IBV=5.0000E-3)
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
PSpice によるシミュレーション結果
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
PSpice によるシミュレーション結果
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
逆方向特性を表現する等価回路モデルにて精度向上
1.2 任意温度におけるシミュレーション
1,1 でご紹介した等価回路モデルを採用
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
ジャンクション温度 Tj を指定して任意の温度モデルを表現する方法→パラメータ TJ を準備する
【順方向特性の検証】
PSpice の Option(.TEMP) でモデルの振る舞いを検証する
N
XTI
VtN
EGTnom
T
Tnom
TeISTIS
**)( *
*
RS(T)=RS(Tnom)*(1+TRS1(T-Tnom)+TRS2(T-Tnom)^2)
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
RS の温度係数 TRS1,TRS2 を算出する
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
0.021
0.022
0.023
0.024
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
T-TNOM vs. RS Characteristic
RS
T-TNOM
Y = M0 + M1*x + ... M8*x8 + M9*x9
0.016739M08.1691e-05M1-2.1455e-07M2
0.99479R
RS の温度係数 TRS1,TRS2 はグラフから関数を抽出する。関係式は 2 次方程式で表現出来る。
1.2 任意温度におけるシミュレーション
関数抽出にはカレイダグラフを採用
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
RS の温度係数 TRS1,TRS2 を算出する
【 RS の式について】
RS(T)=RS(Tnom)+RS(Tnom)*TRS1(T-Tnom) +RS(Tnom)*TRS2(T-Tnom)^2
RS(Tnom)=0.016739
RS(Tnom)*TRS1=8.1691e-5RS(Tnom)*TRS2=-2.1455e-7
TRS1=4.8803e-3TRS2=-1.2817e-5
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
XTI=3.0(Default), TRS1=TRS2=0 の場合1.2 任意温度におけるシミュレーション
モデルパラメータ XTI は温度パラメータ
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
XTI=3.8, TRS1=4.8803e-3, TRS2=-1.2817e-5 の場合
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
順方向側の考慮→ ABM で表現
I_fwd=forward current=Inrm*Kinj
1_ *VtN
Vd
eIScurrentnormalInrm
RS の抵抗成分より電圧降下 Vdropを持たせる式にする
11 *
deg25_*_1
* VtN
RSfwdVd
VtN
VdropVd
eISeISInrm
1.2 任意温度におけるシミュレーション
ABM はビヘイビアモデル素子
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
順方向側の考慮→ ABM で表現
Kinj=high injection factor5.0
InrmIKF
IKFKinj
I_fwd は温度変化をする為、
N
XTI
VtN
EGTnom
T
Tnom
TeISTIS
**)( *
*
1*)()( *
)()*(_
VtN
TRSTfwdIVd
eTISTInrm
5.0
)()(
TInrmIKF
IKFTKinj
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
逆方向側の考慮→ A,B 定数を温度関係で数式化する (B 定数は平均化した値を採用 )
25℃ モデルIR = 2.51e-6*exp(0.0532306*VR)
50℃ モデルIR = 2.60e-5*exp(0.0488643*VR)
80℃ モデルIR = 3.52e-4*exp(0.0428140*VR)
100℃ モデルIR = 1.39e-3*exp(0.0442556*VR)
150℃ モデルIR = 2.08e-2*exp(0.0653962*VR)
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
逆方向側の考慮→ A,B 定数を温度関係で数式化する
10-6
10-5
0.0001
0.001
0.01
0.1
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
T-TNOM vs. coefficient 'A' Characteristic
y = 4.7053e-06 * e (0.072142x) R= 0.99931
A
T-TNOM
A(T)=4.7063e-6*exp(0.072142(T-Tnom))IR(T)=I_rev(T)=A(T)*exp(0.0509122*Vr)
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
ジャンクション温度 Tj を指定して任意の温度モデルを表現する方法→等価回路図
1.2 任意温度におけるシミュレーション
E10
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_rev0
R1110Meg
E7
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Vrev
0
V_Irev0Vdc
RS216.691E-3
E8
V(Vrev)
ETABLE
TABLE = (-0.1,1) (0,0)
OUT+OUT-
IN+IN-
Vr_small
R810Meg
E9
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
A_T
R910Meg
E11
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-R10
10Meg
I_rev
D2FSQ05A04_25DEG01NORS
0
RS1
RS16.691E-3
A
V_I
0Vdc
E_TC
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- RTC
10Meg
TC
0
PARAMETERS:TJ = 25IS = 1.7030E-6T0 = 273EG = 0.69q = 1.6E-19N = 0.99724k = 1.381E-23XTI = 3.8IKF = 3.1359
RS2
E1
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
IS_T
R110Meg
0
E2
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_nrm0
R210Meg
0
G_MAIN
GVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
E4
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-R3
10Meg
I_nrm
E5
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_fwd
R510Meg
0
E6
limit(V(A,K)/I(V_I),0,1)
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
RS_T
R610Meg
IN
E_RS
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
0
K
E3
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R4
1Meg
Kinj
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
ジャンクション温度 Tj を指定して任意の温度モデルを表現する方法
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
ジャンクション温度 Tj を指定して任意の温度モデルを表現する方法
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
消費電力からデバイスの温度を算出可能なモデル→ アプリケーション回路において発生するデバイス の平均電力から温度を自動的に計算出来るモデル
dtIVIKAVT
Pave )_(*),(1
dtrevIVrfwdIVfTime
)_*_*(1
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
消費電力からデバイスの温度を算出可能なモデル
Pave と熱抵抗 Rth(Rth(j-c)=5℃/W) を掛ける事で、デバイス温度Temp が求まる。
TJ=Pave*Rth+Ta=Temp+Ta
TJ: ジャンクション温度Ta: 周囲温度
ここでは過渡熱抵抗に達する時間を考慮して、下記の通りにした
ms
time
ecjRth 2515)(
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
消費電力からデバイスの温度を算出可能なモデル1.2 任意温度におけるシミュレーション
R1410Meg
E_Rth
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R15
10Meg
RthPtE_temp
V(Pave)*V(Rth)
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
temp
R1610Meg
E_junc
V(temp)+27
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- R17
10Meg
junc
0
E_Pt
V(A,K)*I(V_I)
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
0
R1210Meg
0v
1.0
R1310Meg
Pt_aE_Pave
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Pave
PARAMETERS:TJ = 25IS = 1.7030E-6T0 = 273EG = 0.69q = 1.6E-19N = 0.99724k = 1.381E-23XTI = 3.8IKF = 3.1359
E10
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_rev0
R1110Meg
E7
IF(V(A,K)>0, 0,V(A,K))
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Vrev
0
V_Irev0Vdc
RS216.691E-3
E8
V(Vrev)
ETABLE
TABLE = (-0.1,1) (0,0)
OUT+OUT-
IN+IN-
Vr_small
R810Meg
E9
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
A_T
R910Meg
E11
V(I_rev0)*V(Vr_small)+I(V_Irev)
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-R10
10Meg
I_rev
D2FSQ05A04_25DEG01NORS
0
RS1
RS16.691E-3
A
V_I
0Vdc
E_TC
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN- RTC
10Meg
TC
0
RS2
E1
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
IS_T
R110Meg
0
E2
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_nrm0
R210Meg
0
G_MAIN
V(I_fwd)+V(I_rev)
GVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
E4
{(IKF/(IKF+V(I_nrm)))**0.5}
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-R3
10Meg
I_nrm
E5
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
I_fwd
R510Meg
0
E6
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
RS_T
R610Meg
IN
E_RS
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
0
K
E3
EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
Kinj
R41Meg
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
消費電力からデバイスの温度を算出可能なモデル
Time
1.00ms 1.05ms 1.10ms 1.15ms 1.20ms1 V(temp) 2 V(Pave) 3 V(Rth)
4.0V
5.0V
6.0V1
24.50V
24.75V
25.00V2
100mV
200mV
300mV3
SEL>>SEL>>
1 V(IN)-V(K) 2 I(V_I)
-30V
-20V
-10V
-0V1
25A
50A
-1A
2
>>
I_fwd = 40.897[A]
I_rev = -33.299[μA]
Time
90.00ms 90.05ms 90.10ms 90.15ms 90.20ms1 V(temp) 2 V(Pave) 3 V(Rth)
106.850V
106.875V
106.900V1
21.972V
21.974V
21.976V2
4.80V
4.85V
4.90V
4.95V
3
SEL>>SEL>>
1 V(IN)-V(K) 2 I(V_I)
-30V
-20V
-10V
-0V1
25A
50A
-1A
2
>>
I_fwd = 25.349[A]
I_rev = -48.342[mA]
1ms ~ 1.2ms
90ms ~ 90.2ms
1.2 任意温度におけるシミュレーション
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
消費電力からデバイスの温度を算出可能なモデル
Time
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms1 V(temp) V(junc) 2 V(Pt_a) V(Pave) V(Rth)
0V
50V
100V
150V1
0V
10V
20V
30V2
>>
Rth = 4.908[℃/W]
Pave = 21.971[W]
temp = 107.84[℃]
TJ = 134.84[℃]
1.2 任意温度におけるシミュレーション
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Cool MOS
特長従来の MOSFET と比較してオン抵抗を 3 分の 1 に低減 非常に高速で制御可能なスイッチング速度 非常に低いゲート電荷 アバランシェ破壊耐量を保証 さまざまなコントロール IC によるドライブが可能
利点幅広いアプリケーションに最適 高効率 低いゲート抵抗による調整可能な電磁波妨害( EMI)と、スイッチング損失の低減 少ないドライブ部品、およびドライバ・コストの削減 広い安全動作領域( SOA)による、最大限のシステム信頼性の実現 低価格ドライブ IC 、ハイエンドソリューション
内容は、インフィニオンテクノロジーズジャパン株式会社の WEB サイトからの抜粋です。http://www.infineon.jp/designlink/power/coolmos.php
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
MOSFET LEVEL
LEVEL=1 Shichman-Hodges ModelLEVEL=2 形状に基づいた解析モデルLEVEL=3 半経験則短チャネルモデルLEVEL=4 BSIM ModelLEVEL=6 BSIM3 MODEL・・・・・・・・・
LEVEL=3 半経験則短チャネルモデルの特徴
(1)2 次元的な電位分布によるデバイスの長さ及び幅に対してスレッシュホルド電圧が 敏感に影響を受ける。
(2) ドレインが誘起する Barrier lowering によるドレイン電圧に対してのスレッシュホルド 電圧の考慮。
(3) リニア領域と飽和領域との間での緩やかな変化及びホットエレクトロンの速度飽和 によって若干減少する飽和電圧、飽和電流の考慮。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
MOSFET の等価回路図
RB
BulkGate
Cbs
Cgb
RG
Cgd
ROS
Cgs
RD
RS
Cbd
Drain
Source
Idrain
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
MOSFET LEVEL=3 の弱点
ミラー容量を表現出来ず、固定容量になっています↓
ゲートチャージ特性が合いません↓
スイッチング時間が一致しない為、ただ動作しているに過ぎません
MOSFET LEVEL=3 MODEL + ミラー容量補正回路⇒等価回路モデル
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Time*1ms
0 8n 16n 24n 32n 40nV(W1:2) V(W201:2)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
14V
16V
18V
20V
V124Vdc
-+
W1
ION = 0uAIOFF = 1mW
0
I201TD = 0
TF = 10n
PW = 600u
PER = 1000u
I1 = 0
I2 = 1m
TR = 10n
I26.0Adc
V202
0Vdc
V20124Vdc
I1TD = 0
TF = 10n
PW = 600u
PER = 1000u
I1 = 0
I2 = 1m
TR = 10n
0
U1
TPC6005I202
6.0Adc
D1
Dbreak
D201
Dbreak
U2
TPC6005S
-+
W201
ION = 0uAIOFF = 1mW
V2
0Vdc
MOSFET LEVEL=3 MODELBee Technologies MODEL
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
ミラー容量補正回路の考え方
←
1図
dv/dtC o
Io
0Fig.1
Fig.1 の回路図でコンデンサ Co に dV/dt なる立ち上がりを持つ電圧を印加すると流れる電流は、 (1) 式になります。
dt
dVCoIo ・・・・・・・・・・ (1)
ここで基準容量 Cref を外部電圧 VIN で制御出来る電圧制御可変容量は、(2) 式になります。
CrefVINVINC )( ・・・・・・・・・・ (2)
Cref:固定値
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
I11
ABM/I
V I N
2
0
2図
C re f
3
I2
1 E 6 * V (2 , 3 )* (V (1 , 0 )-1 )
←
R 1
←
dv/dt
C(VIN)Io
← R 2
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Fig.2
(2) 式を満足させる等価回路図 (Fig.2) は下記になります。
21 IIIo
21 IIIo ・・・・・・・・・・ (3)
R2 を I2 に影響しない微少抵抗 (1E-6) とし、 Io を C(VIN) に流れる電流と考慮すると (4) 式で表現出来ます。
)3,2(612
)3,2(2 VE
R
V
dt
dVCrefI ・・・・・・・・・・ (4)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
(2),(3),(4) 式から
dt
dVCref
dt
dVVINCIIoI )(21
1)0,1()3,2(61 VVE ・・・・・・・・・・ (5)
dt
dVCref
dt
dVCrefVIN
)3,2(61)1()1( VEVINdt
dVCrefVIN
R1 は ABM/I なるアナログビヘイビアモデルを使用し、 (5) 式を満足すれば
dt
dVCrefVVEIIIo 1)0,1()3,2(6121
・・・・・・・・・・ (6) R1 は高抵抗 (1E6) とする
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
C(VIN) は (2) 式のように外部電圧 VIN によって制御出来ます。
C(VIN)>Cref の時、 (5) 式に従い I1 は増加しますC(VIN)=Cref の時、 I1=0C(VIN)<Cref の時、 (5) 式に従い I1 はマイナスになります
N 1 3 7 3 2
N 1 3 8 0 7
N 1 3 7 4 4
ABM/I
3図
Run to time: 1us
C re f1 u
V I N1 0 v
0
V 2
TD = 0
TF = 1 u sP W = 5 u s
P E R = 1 0 u s
V 1 = 0
TR = 1 u s
V 2 = 1 0 0 v
Maximum step size: 10ns
V 1 0 V d c
R 3
1 M E G
V (N 1 3 7 3 2 , N 1 3 7 4 4 )* (V (N 1 3 8 0 7 , 0 )-1 )* 1 E 6
R 4
1 u
Fig.3
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
-Vdg +Vdg
Co*(1+Vdg/Vj)^(-M)
4図0
Co
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
電圧制御可変容量の等価回路を応用し、ミラー容量に適応させます。
MOSFET の Vdg-Cdg 特性は Fig.4 のような特性を示します。
Fig.4
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Vdg が 0 から Vdss の区間では Fig.4 に示される式に Vdg-C(Vdg) 特性は依存し、 Vdg がマイナスの区間では容量は Co で一定になります。
G
制 御 電 圧発 生 回 路
S
Vdgリ ミ ッ タ
5図
EV A L UEET A BL E
→ →
ABM/I
容 量 可 変 回 路
Q 1
D
Fig.5
Fig.5 のように制御システムを考慮すると、 Vdg を検出すると ETABLEにより、 Vdg に 0 ~ Vdss のリミッタをかけます
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
(7) 式は Vdg が 0以下では Co が一定となります。 EVALUE により、(7) 式による C(Vdg) を、
M
Vj
VdgCoVdgC
1)( ・・・・・・・・・・ (7)
M
Vj
VdgCoVdgE
1)( ・・・・・・・・・・ (8)
と考え、制御電圧発生回路の出力と考えます。この電圧により、容量可変回路を制御すれば ABM/I の電流は Vdg により、 (8) 式に従って変化するのでミラー容量を補正する事が可能になります。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
D G D
C G DR 1
1 0 M
+
-
+
-
S 1
S
+
-
+
-
S 2
S
S
D
M 1
G
R 31 0 M E G
ミラー容量が表現出来るパワー MOSFET モデルの等価回路図(Bee Technologies Model) プロフェッショナルモデル
M1:MOSFET LEVEL=3 MODEL
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
PSpice MODEL *$*PART NUMBER: SPW11N60CFD*MANUFACTURER: Infineon Technologies *VDSS=650V, ID=11A*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc. 2005.SUBCKT SPW11N60CFD_Dsp 1 2 3 X_U1 1 2 3 M11N60CFD_PX_U2 3 1 D11N60CFD_sp.ENDS*$.SUBCKT M11N60CFD_P D G SCGD 1 G 3300pR1 1 G 10MEGS1 1 D G D SMOD1D1 2 D DGDR2 D 2 10MEGS2 2 G D G SMOD1M1 D G S S M11N60CFD.MODEL SMOD1 VSWITCH( VON=0V VOFF=-10mV RON=1m ROFF=1E12).MODEL DGD D( CJO=1.317E-9 M=5.777 VJ=0.3905 ) .MODEL M11N60CFD NMOS+ LEVEL=3+ L=2.8900E-6 W=.82 KP=20.624E-6・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ( 省略 ) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・+ CBD=1.0000E-9 MJ=1.8680+ PB=.42 RG=0.1 RB=1.0000E-3+ GAMMA=0 KAPPA=0+ IS=1.0000E-15 N=5 RB=1.ENDS
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Transconductance Characteristic
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Vgs-Id Characteristic
V_V2
0V 2V 4V 6V 8V 10VI(V3)
0A
2A
4A
6A
8A
10A
12A
14A
16A
18A
20A
0
V 1
1 0 V d cV 20 V d c
U 1 5
S P W 1 1 N 6 0 C F D _ D S P
V 3
0 V d c
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Id-Rds(on) Characteristic
V_VDS
0V 1.0V 2.0V 3.0V 4.0VI(V3)
0A
5A
10A
0
U 1 6
S P W 1 1 N 6 0 C F D _ D S P
V 3
0 V d c
V D S0 V d c
V G S1 0 V d c
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Gate Charge Characteristic
Time*1mS
0 50n 100nV(W1:3)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
14V
16V
-+
W 1
I O N = 0 u AI O F F = 1 m AW
D 1
D b re a k
V 2
0 V d cU 1 0
S P W 1 1 N 6 0 C F D _ D S P
V 14 8 0 V d c
I 1
TD = 0
TF = 1 0 nP W = 6 0 0 uP E R = 1 0 0 0 u
I 1 = 0
I 2 = 1 m
TR = 1 0 n
0
I 21 1 A d c
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Capacitance Characteristic (Vds-Cbd 特性 )
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Switching Time Characteristic
Time
5.00us 5.10us 5.20us4.95us 5.25usV(RG:2) V(L2:1)/38
0V
4V
8V
12V
VDS =380 (V) VGS = 10V
V 13 8 0 V d c
L 2
0 . 0 5 u HL 1
3 0 n HV 2
TD = 5 u
TF = 7 nP W = 1 0 uP E R = 1 0 0 u
V 1 = 0
TR = 6 n
V 2 = 1 0
0
U 7
S P W 1 1 N 6 0 C F D _ D S P
R 2
3 4 . 5 4 5R G
6 . 8
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
Body Diode Reverse Recovery Characteristic
Time
0.4us 0.6us 0.8us 1.0usI(R1)
-10A
0A
10A
0
R 1
2 5
P A R A M E T E R S :X = 1 5 n
V 1
TD = 0
TF = {2 0 * X}P W = 0 . 5 u sP E R = 1 0 u s
V 1 = -4 8 0
TR = 2 0 n s
V 2 = 2 7 5 U 1 3
D 1 1 N 6 0 C F D _ S P
ダイオードモデルは電流減少率モデルを採用
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
パワー・エレクトロニクスにおける回路解析シミュレーションのポイントは、パワー MOSFET の場合、ボディ・ダイオード、 IGBT の場合、 FWD の逆回復特性です。
IF
IR
dt
diLVL
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
i
VL
L の両端の電圧
ダイオードに流れる電流
インダクタンス L の両端に VL の電圧が発生し、ノイズを引き起こします。
dt
diLVL
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
ソフト・リカバリー⇒青色の線ハード・リカバリー⇒赤色の線
trr
IR
Qrr
t
IF
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
2 .パワー MOSFET のデバイスモデリング
逆回復特性を表現するモデル
IFIR 法による trr
(1) パラメータモデル(2)trj,trb を考慮したモデル⇒等価回路モデル
-didt 法による trr
パワー・エレクトロニクスにて、ノイズを検証したい場合に採用するモデルです。
Measurement(1) (2)
逆回復時間の定義測定環境 (IFIR 法 )
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
dt/dQgsdt/dQdg
dt/dQmult
dt/dQds
dt/dQcerdt/dQeb
mosI
cssI bssI
multI
TI
E(S)
b(d)
G
C
e
IGBT PSpice Model 等価回路図
5個の DC 電流コンポーネントと6個の容量性電荷コンポーネントの構成です。
Nist-Hefner Model
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
パラメータ
説明 単位 デフォルト値
AGD ゲート・ドレイン重なり面 m^2 5E-6
AREA デバイス面積 m^2 1E-5
BVF 電子アバランシュ均一係数 N/A 1
BVN 電子アバランシュ増倍の指数部 N/A 4
CGS 単位面積当たりのゲート・ソース間容量 F/cm^2 1.24E-8
COXD 単位面積当たりのゲート・ドレイン間酸化膜容量 F/cm^2 3.5E-8
JSNE エミッタ飽和電流密度 A/cm^2 6.5E-13
KF 3極管領域係数 N/A 1
KP MOS トランスコンダクタンス A/V^2 0.38
MUN 電子移動度 cm^2/(V ・ S) 1.5E3
MUP 正孔移動度 cm^2/(V ・ S) 4.5E2
NB ベース ドーピング 1/cm^3 2E14
TAU アンビポーラ再結合寿命 s 7.1E-6
THETA 遷移電解係数 1/V 0.02
VT しきい値 V 4.7
VTD ゲート・ドレイン重なり空乏しきい値 V 1E-3
WB 金属ベース幅 m 9E-5
IGBT PSpice Model パラメータ
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
Saturation Characteristics
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
Saturation Characteristics
V+
0
V- V
0
V2
0Vdc
E3
0.21179+0.13884*(I(V2))EVALUE
OUT+OUT-
IN+IN-
V115Vdc
Q1IRG4PF50W I1
0Adc
飽和特性を補正する事で、 PSpice Model を活用する事が出来ますAll Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
Vce=1000V付近から特性に不具合が発生
V_V2
1.0V 3.0V 10V 30V 100V 300V 1.0KV 3.0KV 5.0KVI(V3)
0A
2KA
4KA
6KA
8KA
10KA
1,000V
IGBT PSpice Model
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
最近の報告事例
3 . IGBT のデバイスモデリング
Z1CISA30_90 Q1
MSUB
Q2QSUB
EmitterEmitter
CollecorCollecor
GateGate
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式
長所温度モデルを考慮したときの対策が可能 (RC 成分が抽出できる。ただし、実測データからの合わせこみが必要である ) である。SPICE によるデバイス方程式が MOS と BJT なので、電気特性において影響するパラメータが想定できるし、補正は必要な特性は ABM モデルの組み込みにより対応が容易である。
短所BJT と MOSFET の双方の特性による因果関係から、パラメータの合わせこみが必要であり、高度なモデリング技術を必要とする。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
IGBT モデルの等価回路図 (Bee Technologies Model)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
DBEDE
DDSDO
85
C
RC29.7415m
81
RE
17.5m
83
82
CGE2.05n
Collector
RG
5
Gate
Emitter
M3MFIN03
Q3QOUT03
GateG
D3 DGD
R11
+-
+-
S1S
G02
+ -
+ -
S2S
CGD_MAX
R12 10Meg
G01
LE
7.50n
1 273 E
PARAMETERS:IS = 2.51e-16NF = 1.2194BF = 4.8832CJE = 6.10nTF = 17nXTB = 1.3L = 1e-6W = 1e-6KP = 630.2292mVTO = 5.0035THETA = 4.8432mVMAX = 1.8469Meg
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
1. Ic-Vge characteristic におけるパラメータの最適化 IGBT の gfe に関する特性は飽和領域において次のように表される。
μns: Surface mobility of electrons
Z: Channel widthLCH: Channel length
VTH: Threshold voltage
VGE: Applied gate voltage
COX: Gate-oxide cap. Per unit area
αPNP: Current gain of the pnp transistor
THGECH
OXns
PNPfe VV
L
ZCg
1
1
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
MOSFET と BJT で前ページの方程式に関係するパラメータを Pspice Advanced Analysis(Optimizer機能 ) にて最適化する。 ( この例では、活性領域におけるコレクタ電流を決定する RC とその他のパラメータも一緒に最適化しているが、特性に関係しないパラメータは最適化を行っても変化が無い。
Pspice Advanced Analysis(Optimizer)
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
最適化されたパラメータ
.MODEL MFIN03 NMOS (L=1e-6 W=1e-6 LEVEL = 3 VMAX=1.8469Meg+ THETA=4.832m VTO=5.0035 KP=630.2992m).MODEL QOUT03 PNP (IS=2.51e-016 NF=1.2194 BF=4.8832 CJE=6.10n +TF=17.0n XTB=1.3)
MOSFET の ETA はゲートチャージのシミュレーションにおいて誤差を与えるため、削除した。
但し、コレクタ電流が小さい領域では誤差が大きくなる。これは MOSFET のモデル自体が小信号領域に対応していない為であり、別途補正回路が必要になる。( 大信号領域で合わせ込みを行った場合、問題となる )
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
2. パラメータ補正後での、その他特性を実測と比較
Ic-Vce( あるゲート電圧での ) と出力特性 (Vge-Vce 、 Ic-Vce) のシミュレーションを行い、実測あるいはデータシート記載値と比較し、誤差が大きいようであれば、再度必要なパラメータを最適化する。
3. ゲートチャージ特性 ( ゲート - ドレイン間容量特性 ) の補正Cgd の特性は Vdg が正、負の値によってそれぞれ変化する。このため、実測とシミュレーションで誤差を生じる。よって G-D 間に補正回路を付け加える。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
デートチャージ特性で OFF 期間~スイッチング期間を終了する期間までがVdg>0 の期間のときで、 Cgd-Vdg 特性のカーブになっている領域である。スイッチング期間終了時~オン期間に入ると Vdg<0 となり、そのときCgd は一定値となる。ここで、 Cgd-Vdg 特性を表現するため、 Vdg>0 のとき、曲線部分、 Vdg<0 のとき、同図の一定容量成分 Cgdmax の値にし、Vdg=0V 時の Cgdmax と CJO の値を一致させた特性に置き換える。
0Qg
Vgs
Off Period SwitchingPeriod
On Period
12V
Vds200V Simulation
Measurement
VDG>0 VDG<00
Vdg
Cgd Use Cgdmax(const.)
Use DGD ParameterCJO=Cgdmax, M,VJ
Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and CGD
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式 (補正モデル )
Vdg>0 のとき、下側 MOSFET がオンするように ( ドレイン )-( ゲート ) 間の電圧を加える。下側 MOSFET をオンさせて、カーブの表現に DGD の特性を用いる。このとき、 Diode の Reverse C-V 特性で用いた 3 つのパラメータを用い、カーブを表現する。 Vdg<0 の場合は、上側の MOSFET がオンするように( ゲート )-( ドレイン ) 間の電圧を加える。上側 MOSFET をオンさせて、一定値である Cgdmax の値をそのまま使う。ここで表示している MOSFET は理想スイッチ (Vth=0V) を用いてサブサーキットを構成している。
G
D
S
Cgd
Cgs
Cbd Cgdmax
10Mohm
10Mohm
DGD
DG
Vth=0V(Ideal Switch)
E(G-D)
E(D-G)
CGD Characteristic isConstant Value(CGDO)
Fig2-7 Corrected Sub-circuit Model of Gate-Drain Node
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
3 . IGBT のデバイスモデリング
4. スイッチングタイムに関するパラメータの最適化
スイッチングタイムには BJT の TF 、 BF 、ゲート抵抗 RG で調整可能であるが、BF は最適化済なので、残り 2 つのパラメータで調整した。但し、この 2 つのパラメータだけでは tr の合わせ込みが不可能だったので、ベース抵抗 RB を挿入して合わせ込みを行った。 RB を挿入することで、スイッチング時のシミュレーション収束エラーも抑えることができる。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
V_IC
0Vdc
M3MFIN03
Q3QOUT03
VD600Vdc
D3 DGD
R1110Meg
+-
+-
S1S
G02
+ -
+ -
S2S
CGD_MAX
R12 10Meg
G01
PARAMETERS:
IS = 2.51e-16NF = 1.2194BF = 4.8832CJE = 6.10nTF = 21.3nXTB = 1.3L = 1e-6W = 1e-6KP = 630.2292mVTO = 5.0035THETA = 4.8432mVMAX = 1.8469Meg
RL42.8
VG
TD = 0
TF = 10nPW = 5uPER = 20u
V1 = -15
TR = 10n
V2 = 15
RGate
100 LE
7.50n
1 273 E
DBEDE
DDSDO
85
C
RC29.7415m
81
RE
17.5m
82
83CGE
G
Collector
RG
5 Emitter R3
0.1u
0
RB
0.7
3 . IGBT のデバイスモデリング
最適化されたパラメータ
.MODEL MFIN03 NMOS (L=1e-6 W=1e-6 LEVEL = 3 VMAX=1.8469Meg+ THETA=4.832m VTO=5.0035 KP=630.2992m).MODEL QOUT03 PNP (IS=2.51e-016 NF=1.2194 BF=4.8832 + CJE=6.10n TF=21.3n XTB=1.3)RB=0.7
RB を追加することで、各特性に変化があるいは影響度合いが強い場合は、再度パラメータの最適化を行う。
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007
お問合わせ先 )[email protected]
Bee Technologies Group
【本社】株式会社ビー・テクノロジー〒 105-0012 東京都港区芝大門一丁目 5番 3号大門梅澤ビル 3階代表電話 : 03-5401-3851設立日 :2002年 9月 10日資本金 :8,830万円 (資本準備金 :1,500万円 )【子会社】Bee Technologies Corporation ( アメリカ )Siam Bee Technologies Co.,Ltd. ( タイランド )
デバイスモデリングスパイス・パーク ( デバイスモデル・ライブラリー ) デザインキットデバイスモデリング教材