Power MOSFETのスパイスモデル

Power MOSFETのスパイスモデル

1.パワーMOSFETのスパイスモデル
1.1 スタンダードモデル(パラメータモデル)
1.2 プロフェッショナルモデル
(ミラー容量を考慮した等価回路モデル)

2011年4月21日(木曜日)
株式会社ビー・テクノロジー
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Power MOSFETのスパイスモデルの推移

MOSFET LEVEL=3(共通)
ミラー効果がない(スタンダードモデル)
ミラー効果がある(プロフェッショナルモデル)

スタンダード
プロフェッショナル
モデル
モデル
(パラーメータ
(等価回路モデル)
モデル)

ミラー効果が影響する電気的特性は、
「ゲートチャージ特性」→「スイッチング特性」


Power MOSFETのスパイスモデルの推移

デバイスモデリング教材をご活用下さい(12種類)

スタンダード
プロフェッショナル
モデル
モデル
(パラーメータ
(等価回路モデル)
モデル)


Power MOSFETのスパイスモデルの種類



MOSFET LEVEL

LEVEL=1 Shichman-Hodges Model
LEVEL=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 Model
LEVEL=6 BSIM3 MODEL
・・・・・・・
・・

MOSFET LEVEL=3 半経験則短チャネルモデルの特徴

(1)2次元的な電位分布によるデバイスの長さ及び幅に対してスレッシュホルド電圧
が敏感に影響を受ける。

(2)ドレインが誘起するBarrier loweringによるドレイン電圧に対してのスレッシュ
ホルド電圧の考慮。

(3)リニア領域と飽和領域との間での緩やかな変化及びホットエレクトロンの速度
飽和によって若干減少する飽和電圧、飽和電流の考慮。



MOSFET LEVEL=3 Dra in

RD
Cg b

Cg d Cb d

RG RB
RO S Idrai n

Ga te Bu l k

Cg s RS Cb s

So urce


Power MOSFETのスパイスモデルの種類の相違点

20V

18V
MOSFET LEVEL=3 MODEL
16V Bee Technologies MODEL(Professional)

14V

12V

10V

8V

6V

4V

2V

0V
0 8n 16n 24n 32n 40n
V(W1:2) V(W201:2)
Time*1ms


ミラー容量補正回路の考え方

← Io
Fig.1の回路図でコンデンサCoにdV/dtなる
立ち上がりを持つ電圧を印加すると流れる
電流は、(1)式になります。
Co
dv/dt
dV
Io  Co  ・・・・・・・・・・(1)
0
図1 dt
Fig.1

ここで基準容量Crefを外部電圧VINで制御出来る電圧制御可変容量は、
(2)式になります。

C(VIN )  VIN  Cref ・・・・・・・・・・(2)

Cref:固定値


(2)式を満足させる等価回路図(Fig.2)は下記になります。

C(VIN)
Io
2 ←
I1 I2
1

←

←
R2
1E6*V(2,3)*(V(1,0)-1)

VIN R1 3
dv/dt
Cref
ABM/I

Io  I1  I 2 図2

0

Fig.2
Io  I1  I 2 ・・・・・・・・・・(3)

R2をI2に影響しない微少抵抗(1E-6)とし、IoをC(VIN)に流れる電流と考慮
すると(4)式で表現出来ます。

dV V (2,3)
I 2  Cref    1E 6 V (2,3) ・・・・・・・・・・(4)
dt R2


(2),(3),(4)式から
dV dV
I1  Io  I 2  C (VIN )   Cref 
dt dt
dV dV
 VIN  Cref   Cref 
dt dt
dV
 (VIN  1)  Cref   (VIN  1) 1E 6 V (2,3)
dt
 1E 6 V (2,3)   (1,0)  1
V ・・・・・・・・・・(5)

R1はABM/Iなるアナログビヘイビアモデルを使用し、(5)式を満足すれば

Io  I1  I 2  1E 6 V (2,3)   (1,0)  1 Cref 
dV
V
dt
R1は高抵抗(1E6)とする・・・・・・・・・・(6)



C(VIN)は(2)式のように外部電圧VINによって制御出来ます。

C(VIN)>Cref の時、(5)式に従いI1は増加します
C(VIN)=Cref の時、I1=0
C(VIN)<Cref の時、 (5)式に従いI1はマイナスになります
V1 0Vdc
N13732
V(N13732,N13744)*(V(N13807,0)-1)*1E6

R4

N13807 ABM/I 1u
V2 V1 = 0
V2 = 100v
N13744 TD = 0
VIN TR = 1us
10v R3 TF = 1us
Cref PW = 5us
1MEG 1u PER = 10us

図3

0
Run to time: 1us
Fig.3
Maximum step size: 10ns


電圧制御可変容量の等価回路を応用し、ミラー容量に適応させます。
MOSFETのVdg-Cdg特性はFig.4のような特性を示します。

Co

Co*(1+Vdg/Vj)^(-M)

図4
-Vdg 0 +Vdg

Fig.4



Vdgが0からVdssの区間ではFig.4に示される式にVdg-C(Vdg)特性は依存
し、Vdgがマイナスの区間では容量はCoで一定になります。

D

Fig.5のように制御システムを考慮
すると、Vdgを検出するとETABLE
制御電圧
Vdgﾘﾐｯﾀ発生回路容量可変回路により、Vdgに0～Vdssのリミッタを
かけます
→ →

ETABLE EVALUE ABM/I
Q1
G

図5
Fig.5
S


M
 Vdg 
C (Vdg )  Co  1 
  ・・・・・・・・・・(7)
 Vj 

(7)式はVdgが0以下ではCoが一定となります。EVALUEにより、
(7)式によるC(Vdg)を、

M
 Vdg 
E (Vdg )  Co  1 
 
Vj 
・・・・・・・・・・(8)
 

と考え、制御電圧発生回路の出力と考えます。この電圧により、容量可変回
路を制御すればABM/Iの電流はVdgにより、(8)式に従って変化するのでミ
ラー容量を補正する事が可能になります。


D

S
- -
+ +
R3
S2 10MEG DGD

R1 CGD
10M S1
+ +
- -

S M1
G

M1：MOSFET LEVEL=3 MODEL

S

ミラー容量が表現出来るパワーMOSFETモデルの等価回路図
(Bee Technologies Model) プロフェッショナルモデル



*$
*PART NUMBER: SPW11N60CFD
*MANUFACTURER: Infineon Technologies
*VDSS=650V, ID=11A
*All Rights Reserved Copyright (c) Bee Technologies Inc. 2010
.SUBCKT SPW11N60CFD_Dsp 1 2 3
X_U1 1 2 3 M11N60CFD_P
X_U2 3 1 D11N60CFD_sp
.ENDS
*$
.SUBCKT M11N60CFD_P D G S
CGD 1 G 3300p
R1 1 G 10MEG
S1 1 D G D SMOD1
D1 2 D DGD
R2 D 2 10MEG
S2 2 G D G SMOD1
M1 D G S S M11N60CFD
.MODEL SMOD1 VSWITCH( VON=0V VOFF=-10mV RON=1m ROFF=1E12)
.MODEL DGD D( CJO=1.317E-9 M=5.777 VJ=0.3905 )
.MODEL M11N60CFD NMOS
+ LEVEL=3
+ L=2.8900E-6 W=.82 KP=20.624E-6
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・(省略)・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
+ CBD=1.0000E-9 MJ=1.8680
+ PB=.42 RG=0.1 RB=1.0000E-3
+ GAMMA=0 KAPPA=0
+ IS=1.0000E-15 N=5 RB=1
.ENDS
*$

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