device modeling of simplorer models

Simplorerモデルのデバイスモデリング

株式会社ビー・テクノロジー

http://www.bee-tech.com

堀米毅[email protected]

Japan ANSYS Conference 2009G6

http://www.bee-tech.com/



Index

1. ビー・テクノロジーの事業内容

2. 背景(シミュレーション環境)

3. Simplorerモデルのデバイスモデリング

• IGBT

• パワーMOSFET

• トランジスタ

ダイオードモデルは省略、FWD及びBody Diodeで解説

回路解析シミュレータ

デザインキット回路方式のテンプレート

モデル

1.事業内容

All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.

デバイスモデル、シミュレーションに関する月刊小冊子

1.事業内容


売上

利益

累積コスト・投資

Break Even Time

(損益分岐点到達時間)

Time to Market

(商品開発時間)

Break Even After Release(販売開始後損益分岐点到達時間)

Time to Marketの短縮が売上、利益の増大と投資、コストの削減に直結する

開発開始販売開始

具体的な施策としてシミュレーション技術の導入がある→１回でも試作回数を削減させるのが目的である

2.背景


2.背景


Designer

EDA

Device Model

Technology of

Simulation

2.背景


回路開発実験室と同じ環境をコンピュータ上に創る

自分が良く採用するデバイスのデバイスモデル(SPICE MODEL)を最初から準備し、整備していく。

3.デバイスモデリングIGBTについてはモデリングツールが提供されている


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

3.デバイスモデリングIGBT 本体

Simplorerの場合、モデルパラメータのみで表現出来るSPICEの場合、MOSFET+BJTの等価回路にてモデル化する


81

83

RG

3.2

DBE

DE

DDS

DO

0

R1

100MEG

R210MEG

CGD250n

D1

DGD

1

2

+

-

+

-

S1S

VON = 0VVOFF = -100mV

ROFF = 1e12RON = 1m

+

-

+

-

S2S

VON = 0VVOFF = -100mV

ROFF = 1e12RON = 1m

82828282M1MFIN

E

G

RE

44.4u

CGE

165n

Q1QOUT

C

RC

400u

C1

85

VC0Vdc

IN+

IN-

OUT+

OUT-

E1

1*(-0.83913+0.70067*LOG10(I(VC)))EVALUE

C2

3.デバイスモデリング IGBT本体


伝達特性飽和特性

スイッチング特性

出力特性

3.デバイスモデリング IGBT FWD


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...

IV特性順方向

逆回復特性


電流減尐率法での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




IF

IR

dt

diLVL



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



trr

IR

Qrr

t

IF

電流変化率di/dtが大きいとノイズの原因になる。



ソフト・リカバリー⇒青色の線ハード・リカバリー⇒赤色の線

trr

IR

Qrr

t

IF

3.デバイスモデリングパワーMOSFET


再現性のある電気的特性【MOSFET】伝達特性(Id-gfs特性)Vgs-Id特性Rds(on)特性ゲートチャージ特性スイッチング特性出力特性【ボディ・ダイオード】I-V特性逆回復特性← Simplorerの大きな特徴



TYPE_FET using “-1” for P- MOSTYPE_DYN using “1” for transientVBREAK_DS > V(BR)DSSVBREAK_GS > VGSSIBREAK > ID_maxTEMPBREAK > Tj_maxVNOM = Condition VDD: switching timeINOM = Condition ID: switching timeISAT0_FWD = 1.0E-15

パワーMOSFET:初期値を設定する



- TYPE_D using “2” for rev.rec exp-TEMPAMB and TEMP0 using “25 degree”

for nominal working point- VBREAK > V(BR)DSS- IBREAK > ID_max(mosfet)- TEMPBREAK > Tj_max(mosfet)- VNOM = Condition VDD: switching time(mosfet)- C0_JNCT = 3pF

ボディ・ダイオード:初期値を設定する



Parameters Static Groups: Fitting values

Characteristics Parameters Meaning

Vgs-Id

VP0 Pinch-off Voltage at Ref.Temp.[V]

K0 Transistor Constant at Ref.Temp. [S/V]

N_FET Exponent of Transfer Characteristic

RDS(on)A_FET Saturation Factor

M_FET Saturation Exponent

IF-VF (Body

Diode)

M (1.35)ideality factor m*Ut

ISAT0 (1e-14)saturation current at TEMP0 [A]

RB (1m)serial resistance [Ohm]



Vgs-Id CharacteristicParameters: VP0, K0, N_FET



Rds(on) CharacteristicParameters: A_FET, M_FET



Parameters Dynamic Groups: Fitting values


Gate Charge

C0_GS Gate Source Capacitance [F]

C0_DGDrain-Gate Reference

Capacitance [F]

CBD

C0_DBDrain-Bulk Reference

Capacitance [F]

VDIFF_DBDiffusion Potential of Drain-Bulk

Capacitance [V]

ALPHA_DB Capacitance Exponent Drain-Bulk

DELTA_DBMinimum Factor of Drain-Bulk

Capacitance

SW RG Gate Connector Resistance [Ohm]

Trr (Body Diode)

TAU (10n)eff. lifetime [s]

DELTA (0.9)tail form factor

SF (0.5)soft factor



Gate Charge CharacteristicParameters: C0_GS, C0_DG



Capacitance Characteristic:Cbd-Vsd特性Parameters: C0_DB, VDIFF_DB, ALPHA_DB, DELTA_DB

Cbd=Coss-Crss



Switching Time CharacteristicParameters: RG

3.デバイスモデリングトランジスタ


再現性のある電気的特性hFE-Ic特性Vce(sat)-Ic特性Vbe(sat)-Ic特性出力特性C-B 容量特性E-B容量特性スイッチング特性



トランジスタ:初期値を設定する

TYPE_BJT using “1” for NPN TypeTYPE_DYN using “1” for transientBN0 = hFE (Typ.) for Normal Current GainBI0 = hFE (Typ.) for Inverse Current GainISAT0_FWD = 1.0E-15TEMPAMB, TEMP0 and TEMPJNCT0

using “25degree” for nominal working point VBREAK_CE > VCEOVBREAK_BE > VEBOIBREAK_C > IC_maxIBREAK_B > IB_maxTEMPBREAK > Tj_maxVNOM = Condition VCC: switching timeINOM = Condition IC: switching time



Parameters Static Groups: Fitting values


hFE BN0 Normal Current Gain

VCE(sat)

M0Ideality Factor of

Base Junction

RCCollector Connector

Resistance

VBE(sat)

ISAT0Saturation Current of

Base Junction

RBBase Connector

Resistance

OUTPUT VEARLYAbs. Value of Early

Voltage



hFE-IC CharacteristicsParameters: BN0



VCE(Sat)-IC CharacteristicsParameters: M0, RC



VBE(Sat)-IC CharacteristicsParameters: ISAT0, RB



Output CharacteristicsParameters: VEARLY



Parameters Dynamic Groups: Fitting values


C-B Capacitance

C0_BC Base-Collector Reference Capacitance

VDIFF_BC Diffusion Potential of BC Capacitance

ALPHA_BCCapacitance Exponent of BC

Capacitance

DELTA_BC Const. part of BC Capacitance

E-B Capacitance

C0_BE Base-Emitter Reference Capacitance

VDIFF_BE Diffusion Potential of BE Capacitance

ALPHA_BECapacitance Exponent of BE

Capacitance

DELTA_BE Const. part of BE Capacitance

Switching Time TAU_BE Carrier Lifetime BE junction



C-B Capacitance CharacteristicParameters: C0_BC, VDIFF_BC, ALPHA_BC, DELTA_BC



E-B Capacitance CharacteristicParameters: C0_BE, VDIFF_BE, ALPHA_BE, DELTA_BE



Switching CharacteristicsParameters: TAU_BE

1/2



Switching CharacteristicsParameters: TAU_BE

2/2

まとめ


回路解析シミュレーションのプロセスにおいて、デバイスモデリングの時間は、全体の90%を占めるよって、採用する部品のモデルは準備・整備しておく。

Simplorerの大きな特徴はパワーデバイスのシミュレーションにおいて、収束性に優れ、リアルタイムのシミュレーションが出来る。→FWD, ボディ・ダイオードは電流減尐率モデルであり、モデル解析精度が非常に良い

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