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

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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


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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


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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




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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。

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http://www.spicepark.com/


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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・・・・・・・・・


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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 ))


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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 )


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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 )


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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)


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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)


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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


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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

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FRD:DF10L60 SiC SBD:SCS110AG

*$.MODEL DF10L60 D+ IS=721.93E-6+ N=4.6215+ RS=17.488E-3+ IKF=1.2303+ EG=1.11+ CJO=256.53E-12+ M=.46498+ VJ=.7537+ ISR=0+ BV=630+ IBV=10.000E-6+ TT=20E-9*$

*$.MODEL SCS110AG D+ IS=1.3286E-18+ N=1 + RS=33.943E-3+ IKF=2.0124+ EG=3+ CJO=553.61E-12+ M=.48432+ VJ=1.0481+ ISR=0+ BV=615+ IBV=2.0000E-6+ TT=7.65E-9*$


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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


ID



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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


Inductive load

VGS

ID

VDS


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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


Inductive load

Simulation Waveform

3


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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



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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


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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


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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


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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。


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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


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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。

*$.model DF10L60_125c D + IS=10.000E-6+ N=1.26+ RS=58.282E-3+ IKF=65.613E-3+ EG=1.11+ CJO=540.06E-12+ M=.46254+ VJ=.19254+ ISR=0+ BV=630+ IBV=10.000E-6+ TT=54.0000E-9*$

*$.MODEL SCS110AG_125C D+ IS=328.00E-18+ N=1 + RS=48.143E-3+ IKF=.11029+ EG=3+ CJO=582.54E-12+ M=.47985+ VJ=.93871+ ISR=0+ BV=615+ IBV=2.0000E-6+ TT=7.6500E-9*$


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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


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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


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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


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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)


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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。




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。

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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

Technology

超低損失新素材パワー半導体(SiC)の実力