filetype:pdf - criepi.denken.or.jp · 電中研は1990年に、SiCパワー半導体の研究に着手し ました。当時Si単結晶を用いたパワー半導体の技術は 成熟し
超低損失新素材パワー半導体(SiC)の実力
-
Upload
tsuyoshi-horigome -
Category
Technology
-
view
2.399 -
download
2
description
Transcript of 超低損失新素材パワー半導体(SiC)の実力
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
2
発表の流れ
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。
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Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60
SiC デバイス構成SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
3
1. 必要な電子部品の SPICE モデル ( 常温モデル ) を揃える。
Inductive load
ID
SiC SBD
SiC MOSFETSi MOSFET
Inductive load
Si Diode(Super Fast Recovery)
ID
シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60
SiC デバイス構成SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
*$*PART NUMBER: TK10A60D*MANUFACTURER: TOSHIBA*VDS=600V,ID=10A*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2008.SUBCKT TK10A60D G D SM_M1 D G S S MTK10A60DD_D1 S D DTK10A60D.MODEL MTK10A60D NMOS+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.594 KP=11.500E-6 RS=10.000E-3+ RD=.55757 VTO=4.024 RDS=60.000E6 TOX=100.00E-9+ CGSO=1.7618E-9 CGDO=33.500E-12 RG=4.05+ CBD=354.93E-12 MJ=.7831 PB=11.512+ RB=1 N=5 IS=0.001p ETA=0.01.MODEL DTK10A60D D+ IS=37.194E-9 N=1.5803 RS=8.8065E-3 IKF=.9804+ CJO=3.0000E-12 BV=600 IBV=1E-6 TT=1.1E-6.ENDS*$
*$*PART NUMBER: SCU210AX*MANUFACTURER: ROHM*VDS=600V,ID=10A*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011.SUBCKT SCU210AX G D SM_M1 D G S S MSCU210AXD_D1 S D DSCU210AX.MODEL MSCU210AX NMOS+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.3 KP=2.2000E-6 RS=10.000E-3+ RD=12.702E-3 VTO=3.4500 RDS=600.00E6 TOX=100.00E-9+ CGSO=2.8E-9 CGDO=125E-12 RG=14+ CBD=1.6005E-9 MJ=.44139 PB=.9988+ RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 ETA=25m.MODEL DSCU210AX D+ IS=51.575E-18 N=1.0096 RS=25.293E-3 IKF=0+ CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=1.0000E-6 TT=30.0000E9.ENDS*$
常温の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。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。
1
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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 ModelLEVEL=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 ModelLEVEL=6 BSIM3 MODEL・・・・・・・・・
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
6
1. 必要な電子部品の SPICE モデル ( 常温モデル ) を揃える。
STEP1
STEP2
STEP3
調査L:channel length( チャネル長 ) Unit:mW:channel width( チャネル幅 ) Unit:mTOX:thin oxide thickness( ゲート酸化膜厚 ) Unit:m
Transconductance Characteristic→KPMeasurement→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 )
Transfer Curve Characteristic→VTOMeasurement→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
7
1. 必要な電子部品の SPICE モデル ( 常温モデル ) を揃える。
STEP4
STEP5
Rds(on) Resistance Characteristic→RDData 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 )
Zero-bias Leakage Characteristic→RDSData 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
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,CGDOData 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
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
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→RGCircuit 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 DiodeV-I Characteristic→IS,N,RS,IKFMeasurement→Table(VSD,Is)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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 DiodeReverse Recovery Characteristic→TTMeasurement→Output
STEP11
Body DIODE の抽出OrCAD Release9 PSpice Model Editor(DIODE) で抽出 ①V-I Characteristic→IS,N,RS,IKF②Reverse Recovery Characteristic→TT
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
[MOSFET 本体 ] MOSFET LEVEL=3 ModelIV 特性 伝達特性 (Id-gfs 特性 ) Vgs-Id 特性 Rds(on) 特性CV 特性 (Vds-Cbd 特性 )=>cbd=Coss-Crss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[ ボディ・ダイオード ] Diode ModelIV 特性逆回復特性
U 1S C U 2 1 0 A X
G
S
D
Time*1mA
0 5n 10n 15n 20n 25n 30n 35n 40nV(W1:3)
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
14V
16V
18V
20V
等価回路モデル
LEVEL=3 Model
2
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
*$.MODEL DF10L60 D+ IS=721.93E-6+ N=4.6215+ RS=17.488E-3+ IKF=1.2303+ EG=1.11+ CJO=256.53E-12+ M=.46498+ VJ=.7537+ ISR=0+ BV=630+ IBV=10.000E-6+ TT=20E-9*$
*$.MODEL SCS110AG D+ IS=1.3286E-18+ N=1 + RS=33.943E-3+ IKF=2.0124+ EG=3+ CJO=553.61E-12+ M=.48432+ VJ=1.0481+ ISR=0+ BV=615+ IBV=2.0000E-6+ TT=7.65E-9*$
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
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
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
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
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。
ID
VDS
VGS
Test Circuit Measurement Waveform
Si MOSFET
Inductive load
Si Diode(Super Fast Recovery)
ID
シリコンデバイス構成Si MOSFET:TK10A60DFRD:DF10L60
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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:TK10A60DFRD:DF10L60
Si MOSFET Model,with Body Diode Standard Model
ID
Simulation Circuit Simulation Waveform
Si Diode(Super Fast Recovery)
Inductive load
VGS
ID
VDS
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
ID VDS
Ploss
Si MOSFET Model,with Body Diode Standard Model
ID
Simulation Circuit
Si Diode(Super Fast Recovery)
Inductive load
Simulation Waveform
3
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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。
VDS
Test Circuit Measurement Waveform
SiC SBD
SiC MOSFET
Inductive load
ID
ID
VGS
SiC デバイス構成SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
Inductive load
ID
Simulation Circuit Simulation Waveform
SiC SBD
SiC MOSFET
VGS
ID
VDS
DEMO
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
Simulation Waveform
Inductive load
ID
Simulation Circuit
SiC SBD
SiC MOSFET
ID
VDS
Ploss
DEMO
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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・ターンオン損失 (W)
オン時の飽和損失 (W)
ピーク・ターンオフ損失 (W)
Si Devices 175.23 36.90 285.57
SiC Devices 177.60 15.17 282.75
損失削減の効果(Addition)
(1.4%) 58.9% 1.0%
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
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
*$*PART NUMBER: TK10A60D*MANUFACTURER: TOSHIBA*VDS=600V,ID=10A*REMARK: Ta=125C*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011.SUBCKT TK10A60D_ta125 G D SM_M1 D G S S MTK10A60DD_D1 S D DTK10A60D.MODEL MTK10A60D NMOS+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.594 KP=5.5000E-6 RS=10.000E-3+ RD=1.3834 VTO=2.6625 RDS=24.490E6 TOX=100.00E-9+ CGSO=1.4926E-9 CGDO=39.334E-12 RG=7.5+ CBD=399.60E-12 MJ=.67956 PB=6.3869+ RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0.MODEL DTK10A60D D+ IS=6.0180E-6 N=1.2519 RS=23.223E-3 IKF=82.132E-3+ CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=24.500E-6 TT=807.91E-9.ENDS*$
*$*PART NUMBER: SCU210AX*MANUFACTURER: ROHM*VDS=600V,ID=10A*REMARK: Ta=125C*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc.2011.SUBCKT SCU210AX_125C G D SM_M1 D G S S MSCU210AX_125CD_D1 S D DSCU210AX_125C.MODEL MSCU210AX_125C NMOS+ LEVEL=3 L=2.0900E-6 W=.3 KP=2.95E-6 RS=10.000E-3+ RD=.15311 VTO=2.4162 RDS=600.00E6 TOX=100.00E-9+ CGSO=3.65E-9 CGDO=125E-12 RG=15.5+ CBD=1.6005E-9 MJ=.44139 PB=.9988+ RB=1 N=5 IS=1E-15 GAMMA=0 KAPPA=0 ETA=25m.MODEL DSCU210AX_125C D+ IS=474.25E-15 N=.99676 RS=60.221E-3 IKF=84.568E-3+ CJO=3.0000E-12 BV=630 IBV=11.260E-6 TT=29.0000E-9.ENDS*$
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
26
SiC SBD
Ta=25℃ Ta=125℃
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 Diode
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
27
FRD:DF10L60 SiC SBD:SCS110AG
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。
*$.model DF10L60_125c D + IS=10.000E-6+ N=1.26+ RS=58.282E-3+ IKF=65.613E-3+ EG=1.11+ CJO=540.06E-12+ M=.46254+ VJ=.19254+ ISR=0+ BV=630+ IBV=10.000E-6+ TT=54.0000E-9*$
*$.MODEL SCS110AG_125C D+ IS=328.00E-18+ N=1 + RS=48.143E-3+ IKF=.11029+ EG=3+ CJO=582.54E-12+ M=.47985+ VJ=.93871+ ISR=0+ BV=615+ IBV=2.0000E-6+ TT=7.6500E-9*$
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
VGS
Simulation Circuit
Inductive load
ID
Si Diode(Super Fast Recovery)Ta=125C
ID
VDS
Si MOSFET Model,with Body Diode Standard ModelTa=125C
Ta = 125C
Simulation Waveform
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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
ID
VDS
Ploss
Si MOSFET Model,with Body Diode Standard ModelTa=125C
Inductive load
ID
Simulation Circuit
Si Diode(Super Fast Recovery)Ta=125C
Ta = 125C
Simulation Waveform
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
DEMO
VGS
Simulation Circuit
Inductive load
ID
SiC SBD(Ta=125C)
SiC MOSFET (Ta=125C)
ID
VDS
Simulation Waveform
Ta = 125C
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
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SiC MOSFET:SCU210AXSiC SBD:SCU210AX
DEMO
ID
VDS
Ploss
Simulation WaveformSimulation Circuit
Ta = 125C
Inductive load
ID
SiC SBD(Ta=125C)
SiC MOSFET (Ta=125C)
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
32
ピーク・ターンオン損失 (W)
オン時の飽和損失 (W)
ピーク・ターンオフ損失 (W)
Si Devices 175.23 36.90 285.57
SiC Devices 177.60 15.17 282.75
損失削減の効果(Addition)
(1.4%) 58.9% 1.0%
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。
ピーク・ターンオン損失 (W)
オン時の飽和損失 (W)
ピーク・ターンオフ損失 (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%
常温
高温
SiC MOSFET の低オン抵抗が貢献している。SiC SBD の逆回復特性が貢献している。
5
All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Corporation 2011
33
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
まとめ