SiC MOSFET+SBD Simulation using LTspice

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SiC MOSFET+SBD Simulation using LTspice

  1. 1. SPICEモデルの作成方法も紹介超低損失!新素材パワー半導体の実力SiCデバイスをLTspicでシミュレーション 堀米 毅 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 1
  2. 2. 発表の流れ目的:シリコンデバイスをSiCデバイスに置き換える事で、損失がどのくらい 削減出来るのか?高温の場合はどうなのか?手段:回路解析シミュレータ(LTspice:フリーの回路解析シミュレータ)を活用 し、損失を簡単に早く求める。対象回路:誘導負荷回路 シリコンデバイス構成 SiCデバイス構成 Si MOSFET:TK10A60D SiC MOSFET:SCU210AX FRD:DF10L60 SiC SBD:SCU210AX 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。 3.常温におけるシリコンデバイスとSiCデバイスのケースで損失比較を行う。 4.必要な電子部品のSPICEモデル(高温モデル)を揃える。 5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。 6.シリコンデバイスとSiCデバイスのケースで比較する。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 2
  3. 3. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 シリコンデバイス構成 SiCデバイス構成 Si MOSFET:TK10A60D SiC MOSFET:SCU210AX FRD:DF10L60 SiC SBD:SCU210AXSi Diode SiC SBD(Super Fast Recovery) Inductive load Inductive load ID ID Si MOSFET SiC MOSFET All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 3
  4. 4. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 Si MOSFET:TK10A60D SiC MOSFET:SCU210AX *$ *$ *PART NUMBER: TK10A60D *PART NUMBER: SCU210AX *MANUFACTURER: TOSHIBA *MANUFACTURER: ROHM *VDS=600V,ID=10A *VDS=600V,ID=10A *All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2008 *All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011 .SUBCKT TK10A60D G D S .SUBCKT SCU210AX G D S M_M1 D G S S MTK10A60D M_M1 D G S S MSCU210AX D_D1 S D DTK10A60D D_D1 S D DSCU210AX .MODEL MTK10A60D NMOS .MODEL MSCU210AX NMOS + LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.594 KP=11.500E-6 RS=10.000E-3 + LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.3 KP=2.2000E-6 RS=10.000E-3 + RD=.55757 VTO=4.024 RDS=60.000E6 TOX=100.00E-9 + RD=12.702E-3 VTO=3.4500 RDS=600.00E6 TOX=100.00E-9 + CGSO=1.7618E-9 CGDO=33.500E-12 RG=4.05 + CGSO=2.8E-9 CGDO=125E-12 RG=14 + CBD=354.93E-12 MJ=.7831 PB=11.512 + CBD=1.6005E-9 MJ=.44139 PB=.9988 + RB=1 N=5 IS=0.001p ETA=0.01 + RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 ETA=25m .MODEL DTK10A60D D .MODEL DSCU210AX D + IS=37.194E-9 N=1.5803 RS=8.8065E-3 IKF=.9804 + IS=51.575E-18 N=1.0096 RS=25.293E-3 IKF=0 + CJO=3.0000E-12 BV=600 IBV=1E-6 TT=1.1E-6 + CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=1.0000E-6 TT=30.0000E9 .ENDS .ENDS *$ *$ 常温の特性データからデバイスモデリングを行った。 1 %Errorは5%以内のモデルを使用した。 SPICEモデル配信サービス(www.spicepark.com)からダウンロードしました。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 4
  5. 5. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 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 ・・・・・・・ ・・ All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 5
  6. 6. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 STEP1 調査 L:channel length(チャネル長) Unit:m W:channel width(チャネル幅) Unit:m TOX:thin oxide thickness(ゲート酸化膜厚) Unit:m STEP2 Transconductance Characteristic→KP Measurement →Table(Id,gfs) Id:Contunuous Drain Current(DC) (ドレイン電流(直流)) Gfs:Forward Transconductance (順伝達コンダクタンス) STEP3 Transfer Curve Characteristic→VTO Measurement →Table(Vgs,Id) Vgs:Gate-Source Voltage (ゲート・ソース間電圧) Id:Contunuous Drain Current(DC) (ドレイン電流(直流)) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 6
  7. 7. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 STEP4 Rds(on) Resistance Characteristic→RD Data Sheet →Id(A),Vgs(V),Rds(on) Id:Contunuous Drain Current(DC) (ドレイン電流(直流)) Vgs:Gate-Source Voltage (ゲート・ソース間電圧) Rds(on):Static Drain-Source On-state Resistance (ドレイン・ソース間オン抵抗) STEP5 Zero-bias Leakage Characteristic→RDS Data Sheet →Idss(A),Vds(V) Idss:Zero Gate Voltage Drain Current (ドレイン遮断電流) Vds:Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 7
  8. 8. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 STEP6 Turn-on Charge Characteristic→CGSO,CGDO Data Sheet(Gate Charge Characteristic) →Qgd(C),Qgs(C),Id(A),Vds(V) Qgd: Qgs: Id:Contunuous Drain Current(DC) (ドレイン電流(直流)) Vds:Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 8
  9. 9. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。STEP7 Capacitance Characteristic→MJ,PB Data Sheet →Vds(V), Coss(F),Crss(F) MJ→M(Diode Model Parameter) PB→VJ(Diode Model Parameter) Data Sheet(Capacitance Characteristic)よりCoss(F),Crss(F)を抽出し、 Cbd(F)を算出する。Diode Capacitance 特性と同様の考え方を適応させる。Vds: Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧)Coss:Output Capacitance (出力容量)Crss:Reverse Transfer Capacitance (帰還容量) Cbd(F)=Coss(F)-Crss(F) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 9
  10. 10. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 STEP8 Switching Time Characteristic→RG Circuit for MOSFET Switching TimeにてMOSFET SPICE MODELを 回路に組み込みMOSFET MODEL PARAMETER:RGを変化させて td(on)の合わせ込みを行なう。 Circuit for MOSFET Switching Timeには測定条件を反映させる。 td(on)は調査する。 STEP9 Body Diode V-I Characteristic→IS,N,RS,IKF Measurement →Table(VSD,Is) All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 10
  11. 11. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 STEP10 Body Diode Reverse Recovery Characteristic→TT Measurement →Output STEP11 Body DIODEの抽出 OrCAD Release9 PSpice Model Editor(DIODE)で抽出 ①V-I Characteristic→IS,N,RS,IKF ②Reverse Recovery Characteristic→TT All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 11
  12. 12. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。SiC MOSFET:SCU210AX D [MOSFET本体] MOSFET LEVEL=3 Model G U1 SCU210AX IV特性 伝達特性(Id-gfs特性) S Vgs-Id特性 Rds(on)特性 等価回路モデル CV特性(Vds-Cbd特性)=>cbd=Coss-Crss LEVEL=3 Model ゲートチャージ特性:等価回路モデルでミラー効果を再現 スイッチング特性 20V [ボディ・ダイオード] Diode Model 18V IV特性 2 16V 14V 逆回復特性 12V 10V 8V 6V 4V 2V 0V 0 5n 10n 15n 20n 25n 30n 35n 40n V(W1:3) Time*1mA All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 12
  13. 13. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 FRD:DF10L60 SiC SBD:SCS110AG *$ *$ .MODEL DF10L60 D .MODEL SCS110AG D + IS=721.93E-6 + IS=1.3286E-18 + N=4.6215 + N=1 + RS=17.488E-3 + RS=33.943E-3 + IKF=1.2303 + IKF=2.0124 + EG=1.11 + EG=3 + CJO=256.53E-12 + CJO=553.61E-12 + M=.46498 + M=.48432 + VJ=.7537 + VJ=1.0481 + ISR=0 + ISR=0 + BV=630 + BV=615 + IBV=10.000E-6 + IBV=2.0000E-6 + TT=20E-9 + TT=7.65E-9 *$ *$ All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 13
  14. 14. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 14
  15. 15. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 15
  16. 16. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 16
  17. 17. 1.必要な電子部品のSPICEモデル(常温モデル)を揃える。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 17
  18. 18. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60Si Diode(Super Fast Recovery) VGS ID Inductive load ID VDS Si MOSFET Test Circuit Measurement Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 18
  19. 19. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。 シリコンデバイス構成 Si MOSFET:TK10A60D FRD:DF10L60Si Diode(Super Fast Recovery) VGS Inductive load ID ID Si MOSFET Model, with Body Diode Standard Model VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 19
  20. 20. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60 3Si Diode(Super Fast Recovery) Ploss Inductive load ID ID VDS Si MOSFET Model, with Body Diode Standard Model Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 20
  21. 21. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。SiCデバイス構成SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX VGS SiC SBD ID Inductive load ID VDS SiC MOSFET Test Circuit Measurement Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 21
  22. 22. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。SiCデバイス構成 DEMOSiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX SiC SBD VGS Inductive load ID ID SiC MOSFET VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 22
  23. 23. 2.常温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。SiCデバイス構成 DEMOSiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX SiC SBD Inductive load Ploss ID ID SiC MOSFET VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 23
  24. 24. 3.常温におけるシリコンデバイスとSiCデバイスで損失比較を行う。 ピーク・ターン オン時の ピーク・ターン オン損失(W) 飽和損失(W) オフ損失(W)Si Devices 175.23 36.90 285.57SiC Devices 177.60 15.17 282.75損失削減の効果 (1.4%) 58.9% 1.0%(Addition) SiC MOSFETの低オン抵抗が貢献している。 4 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 24
  25. 25. 4.必要な電子部品のスパイスモデル(高温モデル)を揃える。 Si MOSFET:TK10A60D SiC MOSFET:SCU210AX *$ *$*PART NUMBER: SCU210AX *PART NUMBER: TK10A60D *MANUFACTURER: ROHM *MANUFACTURER: TOSHIBA *VDS=600V,ID=10A *VDS=600V,ID=10A *REMARK: Ta=125C *REMARK: Ta=125C *All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011 *All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011 .SUBCKT SCU210AX_125C G D S .SUBCKT TK10A60D_ta125 G D S M_M1 D G S S MSCU210AX_125C M_M1 D G S S MTK10A60D D_D1 S D DSCU210AX_125C D_D1 S D DTK10A60D .MODEL MSCU210AX_125C NMOS .MODEL MTK10A60D NMOS + LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.3 KP=2.95E-6 RS=10.000E-3 + LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.594 KP=5.5000E-6 RS=10.000E-3 + RD=.15311 VTO=2.4162 RDS=600.00E6 TOX=100.00E-9 + RD=1.3834 VTO=2.6625 RDS=24.490E6 TOX=100.00E-9 + CGSO=3.65E-9 CGDO=125E-12 RG=15.5 + CGSO=1.4926E-9 CGDO=39.334E-12 RG=7.5 + CBD=1.6005E-9 MJ=.44139 PB=.9988 + CBD=399.60E-12 MJ=.67956 PB=6.3869 + RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 ETA=25m + RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 .MODEL DSCU210AX_125C D .MODEL DTK10A60D D + IS=474.25E-15 N=.99676 RS=60.221E-3 IKF=84.568E-3 + IS=6.0180E-6 N=1.2519 RS=23.223E-3 IKF=82.132E-3 + CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=11.260E-6 TT=29.0000E-9 + CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=24.500E-6 TT=807.91E-9 .ENDS .ENDS *$ *$ 高温特性データからデバイスモデリングを行った。 %Errorは5%以内のモデルを使用した。 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 25
  26. 26. 4.必要な電子部品のスパイスモデル(高温モデル)を揃える。Si DiodeSiC SBD Ta=25℃ Ta=125℃ All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 26
  27. 27. 4.必要な電子部品のスパイスモデル(高温モデル)を揃える。 FRD:DF10L60 SiC SBD:SCS110AG *$ *$ .model DF10L60_125c D .MODEL SCS110AG_125C D + IS=10.000E-6 + IS=328.00E-18 + N=1.26 + N=1 + RS=58.282E-3 + RS=48.143E-3 + IKF=65.613E-3 + IKF=.11029 + EG=1.11 + EG=3 + CJO=540.06E-12 + CJO=582.54E-12 + M=.46254 + M=.47985 + VJ=.19254 + VJ=.93871 + ISR=0 + ISR=0 + BV=630 + BV=615 + IBV=10.000E-6 + IBV=2.0000E-6 + TT=54.0000E-9 + TT=7.6500E-9 *$ *$ All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 27
  28. 28. 5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60 Si Diode(Super Fast Recovery) Ta = 125C Ta=125C VGS Inductive load ID ID Si MOSFET Model, with Body Diode Standard Model Ta=125C VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 28
  29. 29. 5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60 Ta = 125C Si Diode(Super Fast Recovery) Ta=125C Inductive load Ploss ID ID Si MOSFET Model, with Body Diode Standard Model Ta=125C VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 29
  30. 30. 5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。SiCデバイス構成 DEMOSiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX Ta = 125C SiC SBD (Ta=125C) VGS Inductive load ID ID SiC MOSFET (Ta=125C) VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 30
  31. 31. 5.高温モデルを活用して、LTspiceで過渡解析を行い、損失計算を行う。SiCデバイス構成 DEMOSiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX Ta = 125C SiC SBD (Ta=125C) Inductive load Ploss ID ID SiC MOSFET (Ta=125C) VDS Simulation Circuit Simulation Waveform All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 31
  32. 32. 6.高温におけるシリコンデバイスとSiCデバイスで損失比較を行う。常温 ピーク・ターン オン時の ピーク・ターン オン損失(W) 飽和損失(W) オフ損失(W)Si Devices 175.23 36.90 285.57SiC Devices 177.60 15.17 282.75損失削減の効果 (1.4%) 58.9% 1.0%(Addition)高温 ピーク・ターン オン時の ピーク・ターン オン損失(W) 飽和損失(W) オフ損失(W)Si Devices 208.25 86.58 273.88SiC Devices 169.77 19.14 273.68損失削減の効果 18.5% 77.9% 0.1%SiC SBDの逆回復特性が貢献している。 SiC MOSFETの低オン抵抗が貢献している。 5 All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 32
  33. 33. まとめ 1 採用するスパイスモデルの解析精度=回路解析シミュレーションの解析精度 スパイスモデルはネットリストであり、人間が見てもSPICEモデルの精度 は解りません。評価シミュレーションで精度の把握をしよう。 2 パラメータモデルには弱点があります。弱点は等価回路で克服しよう 3 回路解析シミュレーションで過渡解析を行い損失計算が簡単にできる 4 SiC MOSFETは、ピーク飽和損失の低減に貢献している 5 SiC SBDは、高温において逆回復時間に変化がないため、ピーク・ターン オン損失の低減に貢献している All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 33

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