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パワーデバイスの過渡特性をより正確にシミュレーションできる高精度SPICEモデル

ディスクリートパワーデバイスのSPICEモデルを取り巻く環境

近年、情報通信機器や産業機器においては、高機能化、小型化、軽量化などの高付加価値製品が求められるだけでなく、省エネなど環境に配慮した製品が求められています。これら機器の消費電力低減には、電気回路や回路に搭載されるパワーデバイスなどの性能が大きく関係しています。従来、電気回路の設計では実際に部品を回路基板に実装し電力変換効率やスイッチング時における電圧または電流の応答速度といった回路特性を評価していますが、同様な評価を回路シミュレーションによって高精度かつ短時間で実現できれば、基板の試作回数の削減や開発期間の短縮など開発効率が向上し、機器の高性能化に貢献します。このような背景から、電気回路設計においても回路シミュレーターが積極的に活用されています。

一方、パワーエレクトロニクス分野や自動車などのオートモーティブ分野においてはシステム全体から放射されるノイズやシステム全体の消費電力などについても回路シミュレーションによる事前予測が強く求められています。そのため、システムに搭載する回路の電力変換効率やEMI(Electro-Magnetic Interference)ノイズなどを高精度に予測できるパワー半導体向けSPICEモデルに対する要求が高まっています。東芝デバイス&ストレージ(株)では、ディスクリートパワーデバイスに対応したSPICEモデルの開発を推進しており、精度よりも計算速度を重視したSPICEモデル(G0モデル)に加え、過渡特性をより正確に再現できる高精度SPICEモデル(G2モデル)の提供も開始しました。

SPICEモデルの種類

回路設計に用いる半導体素子の挙動をモデル化するにあたり、複数の表現方法が存在します。

  数式モデル テーブルルックアップモデル コンパクトモデル マクロモデル
モデルの特徴 素子のすべての電気的特性に対してフィッティング関数を用いて数式化するモデル 測定値などターゲットとなる数値データに対してテーブルを作成し、作成したテーブルをデータベース化するモデル MOSFETやBJTなどデバイス構造が一般化している半導体素子に対するモデル化手法で、半導体の物理式を基本としたモデル 対象となる素子の構造に合わせてコンパクトモデルを複数組み合わせて作成するモデル
メリット 適切な数式を用いることで高精度なSPICEモデルを作成することができる。 測定データをそのままデータベース化するため非常に高精度なモデルを作成することができる。 各EDAベンダーの回路シミュレーターに組み込まれるため、ユーザーは回路シミュレーターに組み込まれたコンパクトモデルから適切なモデルを選択し、回路設計作業を進めることができる。 新規の素子構造であったとしても、比較的素子構造に沿ったモデルの開発・作成が容易である。
デメリット 再現精度を高くするために使用する数式が複雑化する傾向があり、その結果、収束性や計算速度が低下する場合がある。 スイッチング時における意図しない挙動を予測するためには、すべての動作点におけるデータを十分に細かい間隔で取得する必要があるため、SPICEモデルを作成する事前準備に非常に多くの工数が必要となる。 各コンパクトモデルの開発元は大学や研究機関といった非営利団体に限られるなど開発に制約が伴い、想定されない素子構造では電気的特性の再現精度が低下する場合がある。 電気的特性の再現性を向上させるためにモデル構成を複雑化することによって回路全体のノード数も増えてしまう傾向があり、結果として回路シミュレーションの収束性や計算速度が低下する場合がある。

※SPICE:Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
※MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
※BJT:Bipolar Junction Transistor
※EDA:Electronic Design Automation

当社の高精度SPICEモデル(G2モデル)の特長

当社が独自で開発したディスクリートパワーデバイス高精度SPICEモデル(G2モデル)はマクロモデル形式で作成されており、極力少ない素子数と連続的な任意の関数を用いた非線形素子を用いて対象となる素子の電気特性を表現しています。その結果、マクロモデルのデメリットであるノード数の増加による回路シミュレーションの収束性や計算速度の低下を可能な限り抑えているなどの特長を有します。計算速度が短くファンクションチェックに適したG0モデルに対し、ID-VDSカーブの高電流領域特性と寄生容量の電圧依存特性の再現性を高め、より実測に近い高精度なスイッチングシミュレーションを可能にしたのがG2モデルです。

SPICE Model グレード ID-VDS Crss-VDS Coss-VDS Ciss-VDS
G0
(RMSエラークライテリア)

(10%以下)
×
(不問)
×
(不問)

(不問)
G2
(RMSエラークライテリア)

(5%以下)

(2%以下)

(2%以下)

(2%以下)

※RMSエラー:モデル作成時に基準としているRMSエラー(Root Mean Square:2乗平方根)。RMSエラーはシミュレーション誤差を保証するものではありません。
※当社SPICEモデルのグレードに関する詳細は、アプリケーションノートをご参照ください。

高精度SPICEモデル(G2モデル)のラインアップ

低耐圧MOSFET (12V - 300V)
優れたトレンチフィールドプレートプロセスとセル構造の最適化により、耐圧ごとのオン抵抗と容量特性といったMOSFETの性能指標を改善し、小型パッケージとの組み合わせでラインアップ化しています。
中高耐圧MOSFET (400V - 900V)
高耐圧化と低オン抵抗を両立するためにスーパージャンクション(SJ)構造を用いたDTMOSシリーズは、セル構造の最適化も行い同様にスイッチングスピードも含めたMOSFETの性能指標を大きく改善し、各種パッケージとの組み合わせでラインアップ化しています。
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