About SPICE Model of IGBT

1. IGBTのスパイスモデル 1.IGBTのスパイスモデル1.1 ヘフナモデル(パラメータモデル)1.2 MOSFET+BJTモデル 1.3 Simplorer独自パラメータモデル2.IGBTモデルとSiC SBDモデルを活用した シミュレーション2.1 PFC回路シミュレーション2.2 損失計算方法 2011年4月21日(木曜日) 株式会社ビー・テクノロジーhttp://www.bee-tech.com/horigome@bee-tech.com 1 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

2. IGBTのスパイスモデルの推移 SPICEの世界 Simplorerの世界 Simplorer独自モデル 2 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

3. IGBTのスパイスモデルの構成 3 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

4. IGBT PSpice Model (ヘフナモデル) 等価回路図 G E(S) b(d) e 5個のDC電流コンポーネントと 6個の容量性電荷コンポーネント の構成です。 C 4 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

5. IGBT PSpiceModel (ヘフナモデル) パラメータ 5 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

6. Saturation Characteristics(飽和特性) 測定データ 上記はPSpice Model Editorの画面 シミュレーション結果 6 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

7. Saturation Characteristics 飽和特性を補正する事で、精度良くPSpice Modelを活用する事が出来ます 7 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

8. MOSFET+BJT型モデル 8 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

9. 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。 ->PSpice AAO(最適化ツール)を活用する。 9 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

10. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 IGBTモデルの等価回路図 (Bee Technologies Model) 10 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

11. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 1. Ic-Vge characteristicにおけるパラメータの最適化 IGBTのgfeに関する特性は飽和領域において次のように表される。 μns: Surface mobility of electrons Z: Channel width LCH: Channel length VTH: Threshold voltage VGE: Applied gate voltage COX: Gate-oxide cap. Per unit area αPNP: Current gain of the pnp transistor 11 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

12. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 PSpice AAO MOSFETとBJTで前ページの方程式に関係するパラメータをPSpice AAO 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。 12 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

13. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 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) 13 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

14. BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 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。 14 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

15. Use Cgdmax(const.) Simulation Use DGD Parameter CJO=Cgdmax, M,VJ Measurement VDG>0 VDG<0 Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and CGD BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式 ゲ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。 15 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

16. 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。 16 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

17. FWD(SPICEの世界) http://beetech-icyk.blogspot.com/2010/11/blog-post_22.html 17 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

18. FWD ダイオードに流れる電流 i VL Lの両端の電圧 リカバリー現象の領域 18 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

19. FWD ダイオードに流れる電流 i VL Lの両端の電圧 インダクタンスLの両端にVLの電圧が発生し、ノイズを引き起こす。 19 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

20. FWD 逆回復時間の定義(IFIR法) 20 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

21. FWD IFIR法の世界 ビヘイビア・モデル=等価回路モデル=プロフェッショナルモデル パラメータ・モデル=スタンダードモデル Measurement Measurement 21 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

22. FWD 電流減少率didt法の世界 ハード・リカバリー、ソフトリカバリーも表現出来る 黄色線⇒ハード・リカバリー 赤線⇒ソフト・リカバリー 電流減少率didtモデル(=スペシャルモデルを採用) 22 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

23. Simplorer独自パラメータモデル 再現性のある電気的特性【IGBT】 伝達特性 飽和特性 スイッチング特性 出力特性 【FWD】 I-V特性 逆回復特性← Simplorerの大きな特徴 Simplorerの特徴 収束性問題が発生しない。 最新バージョンでは、PSpiceモデルが全て使用出来る(ABM含む)。 23 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

24. Simplorer独自パラメータモデル 電流減少率法でのtrr値 Simplorerの場合、モデルパラメータのみで表現出来る そして、L負荷、インバータ回路のシミュレーションの 収束性も良くリアルタイムにシミュレーション出来る。 SPICEの場合、等価回路にてモデル化する ->非常に複雑な等価回路モデルの為、L負荷等では、 非常に収束性が悪くなる。.OPTION等で回避をする が非常に困難である。 SPICEの弱点(逆回復特性) ダイオードのモデルパラメータ：TT 測定方法がIFIR法でのtrr値 24 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

25. Simplorer独自パラメータモデル: IGBT本体 伝達特性 飽和特性 出力特性 スイッチング特性 25 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

26. Simplorer独自パラメータモデル: FWD IV特性 順方向 逆回復特性 26 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

27. PFC回路シミュレーション IGBT+FWD 富士電機 1MBH50-060 600V50A SiC SBD ZERO RECOVERY RECTIFIER Cree CSD20060D 600V20A 27 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

28. PFC回路シミュレーション(損失計算の方法) 28 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

29. 回路解析シミュレーション及びデバイスモデリングの情報提供 デバイスモデリング研究所(http://beetech-icyk.blogspot.com/ ) 29 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011

30. Bee Technologies Group デバイスモデリング スパイス・パーク(スパイスモデル・ライブラリー) デザインキット コンセプトキット(準備中) デバイスモデリング教材 【本社】 株式会社ビー・テクノロジー 〒105-0012 東京都港区芝大門二丁目2番7号 7セントラルビル4階 代表電話: 03-5401-3851 設立日:2002年9月10日 資本金:8,830万円 【子会社】 Bee Technologies Corporation (アメリカ) Siam Bee Technologies Co.,Ltd. (タイランド) 本ドキュメントは予告なき変更をする場合がございます。 ご了承下さい。また、本文中に登場する製品及びサービスの名称は全て関係各社または個人の各国における商標または登録商標です。本原稿に関するお問い合わせは、当社にご連絡下さい。 お問合わせ先) info@bee-tech.com 30 Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2011