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高精度SPICE模型能更準確的提供類比離散功率元件的瞬態特性

離散功率元件專用SPICE模型所處的環境

近年來,資訊通信設備及工業設備不僅需要小型化和輕量化且需要功能更強大的高附加值產品,還需要節能環保產品。電路上及安裝在電路中的離散功率元件性能與降低這些元件的能耗有密切相關。一般情況下,在設計電路時實際上將元器件安裝在電路板上,以評估電路特性,例如電源轉換效率以及開關期間電壓或電流的回應速度。然而,如果可以通過電路模擬在短時間內實現類似的高精度評估,則可通過減少打樣數量和縮短開發時程來提高開發效率,有助於提高設備的性能。在此因素下,電路模擬也被積極用於電路設計。

另一方面,在電力電子和汽車等車載領域,極需基於對整個系統產生的雜訊和整個系統的功耗進行的電路模擬,以提供初步預測。因此,對於功率半導體專用SPICE模型的需求不斷增長,該模型能預測高精度的電源轉換效率、電磁干擾(EMI)雜訊以及系統中安裝的電路的其它因素。東芝電子元件及存儲裝置株式會社持續推動以離散功率元件相容的SPICE模型的開發工作。除了強調計算速度而非精度的SPICE模型(G0模型)外,我們還開始提供更精準能再現瞬態特性的高精度SPICE模型(G2模型)。

SPICE模型的類型

在對電路設計中使用的半導體元件的性能進行模擬時,有多種表示方法。

  數學模型 查詢表格模型 緊密模型 巨集模型
模型的特點 針對元件的所有電氣特性利用擬合函數制定的模型。 可自建資料庫的模型,資料庫中包含專為測量值等目標數值資料自建的表格。 基於半導體的物理公式,具有通用型元件結構的半導體元件(如MOSFET和BJT)的建模方法。

組合多個緊密模型以匹配

目標元素結構的模型。

優點 使用適當的數學公式可建立高精度的SPICE模型。 因將測量資料按原樣置入資料庫中,可以製作出精度非常高的模型。 因內置每個EDA供應商的電路模擬器中,因此使用者可從內置的緊密模型中選擇適合的模型進行電路設計工作。 即使使用新的設備結構,也很容易開發和自建遵循相關設備結構的模型。
缺點 可用於提高再現精度的數學公式往往十分複雜,從而導致收斂性和計算速度有所降低。 為了預測開關切換期間的無意行為,需要以足夠精細的間隔獲取所有操作點的資料,因此需要大量時間預先準備SPICE模型。 由於各小型模型的開發方僅限於大學和研究機構等非營利組織,在開發方面存在限制,因此在未假設的元件結構中,電氣特性的再現精度可能會有所降低。 為了提高電氣特性的再現性,通過使用模型配置複雜化來增加整個電路的節點數 ,因此會降低電路模擬的收斂性和計算速度。

※SPICE:以積體電路為重點的模擬程式
※MOSFET:金屬氧化物半導體場效應電晶體
※BJT:雙極性電晶體
※EDA:電子設計自動化

東芝高精度SPICE模型(G2模型)的特點

東芝的離散功率元件專用高精度SPICE模型(G2模型)是以巨集模型格式創建的,因此G2模型可用一些非線性元件和連續任意函數來表示電氣特性。因此,優點是盡可能的控制了巨集模型的缺點(由於節點數量的增加,導致電路模擬的收斂性和計算速度下降)。G0模型的計算速度更快,適用於功能檢查,而G2模型通過改善ID-VDS曲線的大電流域特性的再現性以及寄生電容的電壓相關特性,可實現更接近實際測量結果的高精度開關模擬。

SPICE模型等級 ID-VDS Crss-VDS Coss-VDS Ciss-VDS
G0
(RMS 誤差標準)

(10% 或以下)
×
(不適用)
×
(不適用)

(不適用)
G2
(RMS 誤差標準)

(5% 或以下)

(2% 或以下)

(2% 或以下)

(2% 或以下)

※RMS誤差:RMS誤差(均方根:平方根)用作建模依據。RMS誤差並不能保證模擬誤差。
※關於東芝SPICE模型等級的更多詳情,請參閱應用說明。

高精度SPICE模型(G2模型)產品線

低壓MOSFET (12V-300V)
通過優化溝槽式製程和單元結構,我們改進了每個擊穿電壓的導通電阻和電容特性等MOSFET性能指標,並創造了可提供緊密型封裝相的產品線。
中高壓MOSFET (400V-900V)
為了同時實現高擊穿電壓和低導通電阻,DTMOS系列採用了超集結(SJ)結構。 且優化了單元結構,大大提升了MOSFET的開關速度等性能指標,並創建了可提供各種封裝的產品線。