SiC MOSFET+SBD Simulation using LTspice

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

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。


シリコンデバイス構成 SiCデバイス構成
FRD:DF10L60 SiC SBD:SCU210AX

Si Diode SiC SBD
(Super Fast Recovery)

Inductive load Inductive load

ID
ID

Si MOSFET
SiC MOSFET




*$ *$
*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。


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
・・・・・・・
・・



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)



STEP4
Rds(on) Resistance Characteristic→RD
Data Sheet
→Id(A),Vgs(V),Rds(on)
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)



STEP6
Turn-on Charge Characteristic→CGSO,CGDO
Data Sheet(Gate Charge Characteristic)
→Qgd(C),Qgs(C),Id(A),Vds(V)
Qgd:
Qgs:
Vds:Drain-Source Voltage (ドレイン・ソース間電圧)



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)



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)



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



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



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
*$ *$



シリコンデバイス構成
Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60

Si Diode
(Super Fast Recovery) VGS

ID

Inductive load
ID

VDS

Si MOSFET

Test Circuit Measurement Waveform



Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60

Si Diode
VGS

Inductive load

ID

ID

Si MOSFET Model,
with Body Diode Standard Model
VDS

Simulation Circuit Simulation Waveform



Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60 3

Si Diode

Ploss
Inductive load

ID

ID
VDS
Si MOSFET Model,




SiCデバイス構成
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX

VGS
SiC SBD

ID

Inductive load

ID VDS

SiC MOSFET

Test Circuit Measurement Waveform



SiCデバイス構成 DEMO
SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX

SiC SBD

VGS

Inductive load

ID

ID

SiC MOSFET
VDS




SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX

SiC SBD

Inductive load Ploss
ID

ID

SiC MOSFET
VDS



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


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。


*$
*$*PART NUMBER: SCU210AX
*PART NUMBER: TK10A60D
*MANUFACTURER: ROHM
*MANUFACTURER: TOSHIBA
*VDS=600V,ID=10A
*VDS=600V,ID=10A
*REMARK: Ta=125C
*REMARK: Ta=125C
*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011
*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011
.SUBCKT SCU210AX_125C G D S
.SUBCKT TK10A60D_ta125 G D S
M_M1 D G S S MSCU210AX_125C
M_M1 D G S S MTK10A60D
D_D1 S D DSCU210AX_125C
D_D1 S D DTK10A60D
.MODEL MSCU210AX_125C NMOS
.MODEL MTK10A60D NMOS
+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.3 KP=2.95E-6 RS=10.000E-3
+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.594 KP=5.5000E-6 RS=10.000E-3
+ RD=.15311 VTO=2.4162 RDS=600.00E6 TOX=100.00E-9
+ RD=1.3834 VTO=2.6625 RDS=24.490E6 TOX=100.00E-9
+ CGSO=3.65E-9 CGDO=125E-12 RG=15.5
+ CGSO=1.4926E-9 CGDO=39.334E-12 RG=7.5
+ CBD=1.6005E-9 MJ=.44139 PB=.9988
+ CBD=399.60E-12 MJ=.67956 PB=6.3869
+ RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 ETA=25m
+ RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0
.MODEL DSCU210AX_125C D
.MODEL DTK10A60D D
+ IS=474.25E-15 N=.99676 RS=60.221E-3 IKF=84.568E-3
+ IS=6.0180E-6 N=1.2519 RS=23.223E-3 IKF=82.132E-3
+ CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=11.260E-6 TT=29.0000E-9
+ CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=24.500E-6 TT=807.91E-9
.ENDS
.ENDS
*$
*$

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。



Si Diode

SiC SBD

Ta=25℃ Ta=125℃


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
*$ *$



Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60

Si Diode(Super Fast Recovery) Ta = 125C
Ta=125C
VGS

Inductive load

ID

ID

Si MOSFET Model,
Ta=125C VDS




Si MOSFET:TK10A60D
FRD:DF10L60
Ta = 125C

Si Diode(Super Fast Recovery)
Ta=125C

Inductive load
Ploss
ID

ID

Si MOSFET Model,
Ta=125C VDS




SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX

Ta = 125C
SiC SBD
(Ta=125C)
VGS

Inductive load
ID

ID

SiC MOSFET (Ta=125C)
VDS




SiC MOSFET:SCU210AX
SiC SBD:SCU210AX
Ta = 125C

SiC SBD
(Ta=125C)

Inductive load Ploss
ID

ID

SiC MOSFET (Ta=125C)
VDS



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
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
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

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

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