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. 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:SCU210AX
Si 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. 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. 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
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:DF10L60
Si 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
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 DEMO
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC 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. 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 DEMO
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC 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. 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 36.90 285.57
SiC 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. 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
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:TK10A60D
FRD:DF10L60
Ta = 125C
Si Diode(Super Fast Recovery)
Ta=125C
Inductive load
Ploss
ID
ID
Si MOSFET Model,
with Body Diode Standard Model
Ta=125C VDS
Simulation Circuit Simulation Waveform
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 29
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 DEMO
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX
Ta = 125C
SiC SBD
(Ta=125C)
VGS
Inductive load
ID
ID
SiC MOSFET (Ta=125C)
VDS
Simulation Circuit Simulation Waveform
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 30
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 DEMO
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX
Ta = 125C
SiC SBD
(Ta=125C)
Inductive load Ploss
ID
ID
SiC MOSFET (Ta=125C)
VDS
Simulation Circuit Simulation Waveform
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011 31
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 36.90 285.57
SiC 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 86.58 273.88
SiC 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. 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