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Keysight Technologiesパワー・エレクトロニクス・デバイスのモデリング

02 | Keysight | パワー・エレクトロニクス・デバイスのモデリング - Technical Overview

パワー・エレクトロニクス・デバイスのモデリング

パワーエレクトロニクス(PE)分野のデザインエンジニアは、パワー変換やモータードライバーなどの需要の増加に対応するため、厳しい開発スケジュールの圧力に直面しています。一方、デザインの小型化のため、スイッチング周波数は数100 kHzあるいは数MHzにまで達しようとしています。こういった周波数は控えめに見えるかもしれませんが、電圧の大きさと、特に電圧の時間変化(dV/dt)が非常に大きいことを忘れてはいけません。今日のGaNデバイスのスイッチング時間は250 ps以下であり、発生する高調波成分はGHzレンジに及びます。わずか0.1 nH程度のインダクタンスでも、ゲートのドライブ波形を歪ませ、リンギングや過渡誘導ノイズの原因となります。大電流経路には浮遊インダクタンスが存在するのが普通であり、大きなL*di/dtが生じます。

このような電圧／電流サージと、その後に起きるリンギングにより、回路が誤動作したり、場合によっては爆発したりするおそれがあります。速いスイッチング周波数とそれに伴う高調波は、不要な電磁波障害を引き起こします。

これらは重大な問題であり、シミュレーションを通じて解決する必要があります。大型のパワーモジュールを使用すれば信頼性を高めることができますが、コストとサイズが増加します。一方、小型で高速なデバイスの場合は、電圧／電流サージの問題を予測するためのシミュレーションが必要です。今日のパワーコンバーターはデジタル制御化が進んでおり、さまざまなディスクリート・パワー・デバイスが並んで配置されています。デバイスのサージ電圧を事前に予測しようとすると次のような問題が生じます：「どのようにモデル化すればよいか？」多くのPEデザイナーは単に解決を諦め、何十年もの経験に頼ってラボベンチ上で回路を動作させようとします。

このため、デザインは同じものを踏襲することになり、マネージャーは製品リリースの間に小規模な変更を計画します。デザインサイクルが延びたために、研究開発予算が膨れ上がることもあります。もっと悪い結果として、デザインチームが競争力を失う場合もあります。

4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

時間（μs）

-5

0

5

10

15

20

V

2

3

4

5

6

7

8

SiC MOSFETを用いたハーフブリッジ回路でのタイムドメイン測定

ロー・ゲート・ドライブハイ・ゲート・ドライブ

ハーフブリッジ中間点/40

インダクター電流

A

電圧

温度


しかし、実はもっといい方法があります。デバイスとボードの両方を正確にモデル化できたとしたらどうでしょうか。

400 V、1 Aのコンバーターから、はるかに小型の10 V、100 Aのコンバーターに短時間で移行できたとしたらどうでしょうか。そのためには、正確なモデルが必要です。そのようなモデルは、測定データに基づき、最先端のモデリングツールを使用して短時間で効率的に抽出できる必要があります。幸い、解決策はあります。

正確なモデリングのために必要なデータとは何でしょうか。

1. DC IVデータ。これはカーブトレーサーおよびプル・パルス・テスト（またはクランプ誘導負荷）を使用して収集されます。

2. オフ状態の容量。これはカーブトレーサーに組み込まれているCV測定によって求められます。

測定データ1

オフステートC-Vテストソリューションカーブトレーサー測定システム

B1506A

1. “Measurement Methodology for Accurate Modeling of SiC MOSFET Switching Behavior over Wide Voltage and Current Ranges”, H. Sakairi, et. al., IEEE Trans on Power Electronics early access

テストソリューションダブル・パルス・テスト・システム

測定データ1

I-V

カーブトレーサー測定システム

DPT

Vgs = 11.5 V

Vgs = 11.0 V

Vgs = 10.5 V

I d(A

)

Vds(V)

25

20

15

10

5

0100 200 300 400 500 600

B1506A


3. ゼロバイアスSパラメータを使用して、デバイスのゲート抵抗(Rg)と直列インダクタンスを推定できます。ソースインダクタンス“Ls”はリンギングと発振に関して特に重要です。

4. DCバイアスを印加し、SMUとバイアスティーを使用して、Sパラメータを測定し、オン状態の容量と周波数の関係を求めます。

テストソリューションSパラメータ測定システム

ENA

測定データ1

ゼロバイアスSパラメータ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

3.0

4.0

5.0

10 2020

-20

10

-10

5.0

-5.0

4.0

-4.0

3.0

-3.0

2.0

-2.0

1.8

-1.8

1.6

-1.6

1.4

-1.4

1.2

-1.2

1.0

-1.0

0.9

-0.9

0.8

-0.8

0.7

-0.7

0.6

-0.6

0.5

-0.5

0.4

-0.4

0.3

-0.3

0.2

-0.2

0.1

-0.1

周波数（10,000 kHz～ 319.4 MHz）

SparS11S12S21S22

テストソリューションSパラメータ測定システム

ENAとSMU

測定データ1

オンステートC-V

周波数(Hz)

Cgd

(F)

3

4 x 10-9

2

1

0

-1104 105 106 107 108 109

Meas

Vgs = 6 V

Vgs = 3 V

Vgs = 4.5 V

Sim

1. “Measurement Methodology for Accurate Modeling of SiC MOSFET Switching Behavior over Wide Voltage and Current Ranges”, H. Sakairi, et. al., IEEE Trans on Power Electronics early access


PD1000A アドバンスドモデリング用パワーデバイス測定システム制御ソフトウェアを使用して、これらの測定を行い、データをディレクトリーに格納できます。デバイスモデルを作成するには、キーサイトのパワー・エレクトロニクス・モデル・ジェネレーター・ソフトウェア(W8598BP)にデータを読み込みます。このソフトウェアは、現時点では3種類のパワー・エレクトロニクス・デバイス・モデルをサポートしていますが、今後もっと多くの種類が追加される予定です。

3種類のモデルはすべてVerilog-Aで実装されており、ADS 2017のシミュレーションに使用できます。Si/SiCおよびIGBTモデルは、デバイス・プロセス・パラメータが利用できない場合のために作成されています。これは、パワーエレクトロニクスのデザインラボでは一般的な要求です。

1. 画像提供：Panasonic https://na.industrial.panasonic.com/whats-new/mass-production-xgan-gate-driver

2. 画像提供：Rohm https://www.rohm.com/products/sic-power-devices/sic-mosfet

3. 画像提供：Rohm https://www.rohm.com/products/igbt/ignition-igbt/rgpr30bm40hr-product

GaN ASM-HEMTモデル（CMCが採用 1）

キーサイトのSiおよびSiCパワーMOSFETデバイス用モデル 2

キーサイトのIGBT

デバイス用モデル 3


ユーザーインタフェースには、あらゆるモデルエンジニアが行う必要があるさまざまな手順が搭載されています。

プロジェクトパラメータ、モデルフラグ、デバイス定数を設定します。

高度に構造化されたディレクトリーから測定データをロードします。

モデルパラメータを抽出します。

モデルの精度を検証します。

デバイス・モデル・パラメータをエクスポートします。

最新の最も正確なモデルを使用することで、デバイスの動作を優れた精度で確実に再現できます。

左側にはモデリングのさまざまなステップが示されています。右側では、スライダーを使用してパラメータを手動でチューニングできます。

最先端のモデルを使用することで、より短時間で確実にデザインから製造まで移行できます。PEMGでは、ディスクリート・パワー・エレクトロニクス・デバイス用の包括的なモデリングソリューションが提供されており、わかりやすいUIと最新の強力なモデルが利用できます。


オーダー情報

IC-CAPを使用していて、最大限の柔軟性が必要な場合、次のアドオンパッケージを使用して抽出フローをカスタマイズできます。

– W8536EP/ET SiC PowerMOSパワー・エレクトロニクス・モデリング – W8537EP/ET IGBTパワー・エレクトロニクス・モデリング – W8538EP/ET GaNパワー・エレクトロニクス・モデリング

これらのパッケージを使用するには、W8501E IC-CAPコア環境とW8502E IC-CAP解析が必要です。これらはどちらもW8500Bモデリングバンドルに付属しています。

3種類のモデルは、スタンドアロンのソフトウェアとしても提供されています。これは、「アドバンスドモデリング用パワーデバイス測定システム」と呼ばれるPD1000Aソリューションの一部です。

– W8598BP/BT パワー・エレクトロニクス・モデル・ジェネレーター (PEMG)ソフトウェア

関連資料

【導入事例】　電源にGaNパワー素子の適用始まる、トランスフォームがレイアウト／回路設計ノウハウを詳説

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-2180JAJP.pdf

【顧客事例】　パナソニック　GaNパワー・デバイスが本格普及期に突入、信頼性の確保に加えて、設計環境が着実に進化http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-2752JAJP.pdf

【顧客事例】　ローム　SiCパワーデバイスに向けた新しい解析モデル、シミュレーション精度の大幅改善で普及を後押しhttp://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3066JAJP.pdf


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