パワーデバイスのデバイスモデリング2007(PPT)

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

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

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 CASE X_U1 PIN2 CASE CSD01060_pro R_Rs PIN1 CASE 10u .ENDS *$ .SUBCKT CSD01060_pro A K V_V_I A N00040 0Vdc V_V_Ifwd IN2 K 0Vdc E_E1 VREV 0 VALUE { IF(V(A,K)>0, 0,V(A,K)) } E_E3 I_REV0 0 VALUE { 1.4857e-08*exp(0.0089931*(-V(Vrev))) } E_E4 I_REV 0 VALUE { V(I_rev0)*V(Vr_small)-(-I(V_V_Irev)) } E_E6 IN K VALUE { IF(V(A,K)>0, V(A,K),0) } V_V_Irev VREV1 VREV 0Vdc G_ABMI1 N00040 K VALUE { I(V_V_Ifwd)-V(I_rev) } E_E2 VR_SMALL 0 TABLE { V(Vrev) } + ( (-0.1,1) (0,0) ) D_D3 IN IN2 DCSD01060 R_R1 0 VR_SMALL 10MEG 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

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 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 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【 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-5 RS(Tnom)*TRS2=-2.1455e-7 TRS1=4.8803e-3 TRS2=-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 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 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 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 1ms ～ 1.2ms 90ms ～ 90.2ms 1.2 任意温度におけるシミュレーション I_fwd = 40.897[A] I_rev = -33.299[μA] I_fwd = 25.349[A] I_rev = -48.342[mA]

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 Model LEVEL=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 Model LEVEL=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 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ミラー容量補正回路の考え方 Fig.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。・・・・・・・・・・ (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。・・・・・・・・・・ (2) Cref: 固定値 All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007

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。・・・・・・・・・・ (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。・・・・・・・・・・ (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 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=0 C(VIN)<Cref の時、 (5) 式に従い I1 はマイナスになります Fig.3 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。 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、・・・・・・・・・・ (7) ・・・・・・・・・・ (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 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_P X_U2 3 1 D11N60CFD_sp .ENDS *$ .SUBCKT M11N60CFD_P D G S CGD 1 G 3300p R1 1 G 10MEG S1 1 D G D SMOD1 D1 2 D DGD R2 D 2 10MEG S2 2 G D G SMOD1 M1 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 IGBT PSpice Model パラメータ All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007 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

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 ) 1. Ic-Vge characteristic におけるパラメータの最適化 IGBT の g fe に関する特性は飽和領域において次のように表される。　 μ ns : Surface mobility of electrons Z: Channel width L CH : Channel length V TH : Threshold voltage V GE : Applied gate voltage C OX : Gate-oxide cap. Per unit area α PNP : Current gain of the pnp transistor 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。 All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007 Simulation Measurement V DG >0 V DG <0 Use Cgdmax(const.) Use DGD Parameter CJO=Cgdmax, M,VJ Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and C GD

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。 All Rights Reserved copyright (C) Bee Technologies Inc. 2007 Vth=0V(Ideal Switch) E(G-D) E(D-G) CGD Characteristic is Constant Value(CGDO) Fig2-7 Corrected Sub-circuit Model of Gate-Drain Node

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

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_address] 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

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