スパイスモデル解説：IGBTモデル編

IGBT のスパイスモデル

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スパイスモデル解説

2010 年 12 月 10 日 ( 金曜日 )

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

1Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010

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Technologies


回路解析シミュレータSpice 系回路解析シミュレータ

PSpice,LTspice,MultiSim,MicroCap,HSPICE,SmartSPICE,Simplorer, and so on

[ デザインキット ] 回路方式のテンプレートコンセプトキット (NEW)←2011年1月28日セミナー

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準備中2011 年 1 月下旬公開予定


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58 種類のデバイス、 3,585 モデル (2010 年 12 月 10 日現在 ) をご提供中。現在、グローバル版スパイス・パーク (2010 年 12 月下旬にオープン ) を準備中。

スパイス・パーク　 http://www.spicepark.com/

2010 年 12 月は、 IGBT のスパイスモデルのライブラリーを充実中


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Bee Style:http://www.spicepark.com/ スパイス・パークのログイン後トップページにて、 PDF でバックナンバーも含めPDF 形式で参照及びダウンロード出来ます。

Bee Style:




IGBT のスパイスモデルの推移

PSpiceIGBTModel

PSpiceIGBTModel

+等価回路

MOSFET+

BJT

SPICE の世界

Simplorer の世界

Simplorer 独自モデル


IGBT のスパイスモデルの構成

Z 1

I G B TF W DD 1


IGBT PSpice Model ( ヘフナモデル ) 等価回路図

dt/dQgsdt/dQdg

dt/dQmult

dt/dQds

dt/dQcerdt/dQeb

mosI

cssI bssI

multI

TI

E(S)

b(d)

G

C

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。


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

IGBT PSpice Model ( ヘフナモデル ) パラメータ


Saturation Characteristics(飽和特性 )

上記は PSpice Model Editor の画面測定データシミュレーション結果


Saturation Characteristics

V+

0

V- V

0

V2

0Vdc

E3

0. 21179+0. 13884* ( I ( V2) )EVALUE

O UT+O UT-

I N+I N-

V115Vdc

Q 1I RG 4PF50W I 1

0Adc

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12Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010

Z1CISA30_90 Q1

MSUB

Q2QSUB

EmitterEmitter

CollecorCollecor

GateGate

MOSFET+BJT 型モデル


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。

BJT+MOSFET のサブサーキット構成を用いる方式



DBEDE

DDSDO

85

C

RC29.7415m

81

RE

17.5m

83

82

CGE2.05n

Collector

RG

5

Gate

Emitter

M3MFIN03

Q3QOUT03

GateG

D3 DGD

R1110Meg

+-

+-

S1S

VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1m

G02

+ -

+ -

S2S

VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1m

CGD_MAX4.30E-9

R12 10Meg

G01

LE

7.50n

1 273 E

PARAMETERS:IS = 2.51e-16NF = 1.2194BF = 4.8832CJE = 6.10nTF = 17nXTB = 1.3L = 1e-6W = 1e-6KP = 630.2292mVTO = 5.0035THETA = 4.8432mVMAX = 1.8469Meg

IGBT モデルの等価回路図　 (Bee Technologies Model)



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 widthLCH: Channel length

VTH: Threshold voltage

VGE: Applied gate voltage

COX: Gate-oxide cap. Per unit area

αPNP: Current gain of the pnp transistor

THGECH

OXns

PNPfe VV

L

ZCg

1

1



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。

PSpice AAO



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 )



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。



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。

0Qg

Vgs

Off Period SwitchingPeriod

On Period

12V

Vds200V Simulation

Measurement

VDG>0 VDG<00

Vdg

Cgd Use Cgdmax(const.)

Use DGD ParameterCJO=Cgdmax, M,VJ

Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and CGD


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。

V_IC

0Vdc

M3MFIN03

Q3QOUT03

VD600Vdc

D3 DGD

R1110Meg

+-

+-

S1S

VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1u

G02

+ -

+ -

S2S

VON = 0mVVOFF = -20mVROFF = 10e9RON = 1u

CGD_MAX4.30E-9

R12 10Meg

G01

PARAMETERS:IS = 2.51e-16NF = 1.2194BF = 4.8832CJE = 6.10nTF = 21.3nXTB = 1.3L = 1e-6W = 1e-6KP = 630.2292mVTO = 5.0035THETA = 4.8432mVMAX = 1.8469Meg

RL42.8

VG

TD = 0

TF = 10nPW = 5uPER = 20u

V1 = -15

TR = 10n

V2 = 15

RGate

100 LE

7.50n

1 273 E

DBEDE

DDSDO

85

C

RC29.7415m

81

RE

17.5m

82

83CGE2.05nIC = 0

G

Collector

RG

5 Emitter R3

0.1u

0

RB

0.7

スイッチングタイムに関するパラメータの最適化


FWD(SPICE の世界 )

http://beetech-icyk.blogspot.com/2010/11/blog-post_22.html


http://beetech-icyk.blogspot.com/2010/11/blog-post_22.html

i

VL

L の両端の電圧

ダイオードに流れる電流

リカバリー現象の領域

FWD


i

VL

L の両端の電圧

ダイオードに流れる電流

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。

dt

diLVL

FWD


FWD

逆回復時間の定義 (IFIR 法 )25Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010

FWD 　 IFIR 法の世界

パラメータ・モデル=スタンダードモデル

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

Measurement Measurement


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 )27Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010

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 独自パラメータモデル

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 ) 。


http://www.ansoft.com/products/em/simplorer/index.cfm

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


VCE

10

A

AM1

VGE

CM600HA_5F

A

AM1

VGE

15

I1+

V

sat

CM600HA_5F

+

V

+

V

RG

4.2

RL

0.16667

VCC

100VGE

TRISE := 10n s

AMPL := 10 VTFALL := 10n s

PWIDTH := 15u s

CE

GE

TDELAY := 5u s

A

AM1

CM600HA_5F

A

VCE

AM1

VGE

+

V

VM1

CM600HA_5F

伝達特性飽和特性

スイッチング特性

出力特性

Simplorer 独自パラメータモデル : IGBT本体


+

V

VF

I1

CM600HA_5F

FW

D1.

I [A

]

-250.00

650.00

-100.00

0

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

2.9000m 2.9050m2.9015m 2.9025m 2.9035mt

Qrr

FWD...

L1

RG

VCE

V1

G

200u

100

TPERIO := 100u s

AMPL := 10 VTDELAY := 1u sTRISE := 10n s

TFALL := 10n sPWIDTH := 79.98u s

4.2

A

C

+

V VM1

+

V VM2

R1

0.1

60n

A

FWD1

CM600HA_5F_1

CM600HA_5F_2

IV 特性順方向

逆回復特性

Simplorer 独自パラメータモデル : FWD


PFC 回路シミュレーション

IGBT+FWD富士電機1MBH50-060600V50A

SiC SBDZERO RECOVERY RECTIFIER CreeCSD20060D600V20A


PFC 回路シミュレーション ( 損失計算の方法 )


LTspice( ファイルの移動 )


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【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 )

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