Modeling Design Technology

パワーデバイスのモデル標準化～パワーデバイスのシミュレーションに関する課題の抽出～

2017.3.10(金)株式会社モーデック
西嶋哲也

アジェンダ• 株式会社モーデック：会社紹介• シミュレーションモデルの精度について• 近年のパワーデバイスの特徴• シミュレーションモデル作成時の課題• シミュレーションに関する課題• まとめ2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved株式会社モーデック：会社概要
会社名

株式会社 モーデック

所在地■ 本社・T&Mセンター〒192-0081 東京都八王子市横山町25-6 八王子横山町ビル■ イノベーションセンター・プロジェクトセンター〒192-0081 東京都八王子市横山町5-15 三井生命八王子ビル

代表者

代表取締役

役員

常務取締役 川原康雄
取締役 鈴木康夫、末永敏男、島田寛之

従業員

25名

設立

2002年 7月

資本金5,000万円

加入団体

••
•
•
•

事業内容

(1) 測定受託、測定支援、測定システム開発サービス(2) SPICE電子部品のSPICEモデル作成サービス(3) 半導体・パッシブデバイスモデリング／SPICEパラメータ抽出サービス(4) FAB PDK検証／回路設計支援・解析・検証／ノイズ対策支援サービス(5) (1)～(4)に関連する技術コンサルティング(6) (1)～(4)に関連するソフトウェアツールの開発・販売(7) 電気・電子・半導体分野に特化した翻訳サービス

嶌末政憲

電子情報通信学会(IEEE)(一社)日本電子デバイス産業協会 （NEDIA）(社)電子情報技術産業協会 （JEITA）(株)CDC研究所(独)産業技術総合研究所 NMIJ計測クラブ

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

Modeling Design Technology

株式会社モーデック：会社紹介•

多くのエレクトロニクス製品メーカが、開発プロセスにおいて、フロントローディングに注力しています。効果的なフロントローディングを実現する最適なソリューションが、モデルベースシミュレーションです。モーデックでは、パワーエレクトロニクス、アナログ（RF/ミリ波）、高速デジタルなどの分野において、測定・評価・解析、モデリング、シミュレーション、回路設計、回路検証、ノイズ対策に関する広範囲な問題の解決を支援いたします。
モーデックのトータルソリューション

測定測定データ

評価・解析2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedモデリング

ソフトウェア製品
開発・販売

シミュレータモデル

回路設計

シミュレーションモデルについて• パワーデバイス用のモデルは、用途によって高精度の要求が高まる
400

簡単・高速

– 理想スイッチモデル• ON時短絡、OFF時開放とするレベル

300

200

100

– 半導体システムモデル

0276.37us 278.00us
V(S1:3,VG0)

280.00us-I(R3)

282.00us284.00us286.00us288.00us290.00us292.00us294.00us296.00usTime• 静特性を考慮した非線形抵抗として表現するレベル– Diode/ BJT/ GTO/ Thyristor/ MOSFET/ JFET/ IGBT…
1600V

2800A

600A

400V

複雑・詳細

– 半導体デバイスモデル

400A

200V

• 動特性や熱、物理的な特性を考慮するレベル

200A– Diode/ BJT/ GTO/ Thyristor/ MOSFET/ JFET/ IGBT…

>>-10A
405.02us405.50us
1V(U1:C,VG0) 20V

1– SPICE互換モデル

600V

406.00us
I(U1:C)

406.50us407.00us407.50us408.00us

413.00us413.50us

414.00us

Time

2800A

600A

400V

400A

• SPICE-3f5に互換の素子モデル– Diode / BJT / Lossy Tline /VC,IC switch– MOSFET(SPICE3 Level1-6, BSIM1～4, EKV, JFET)2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

200V
200A

0V>>
-10A
411.02us411.50us
1V(U1:C,VG0) 2

412.00us
I(U1:C)

412.50us
Timeパワーデバイス用のモデル動向
Compact Model：

DTMOS

Si-MOSFET：HiSIM-HV（高耐圧、LDMOS対応、CMC標準モデル）
IGBT：HiSIM-IGBT（HiSIMコンソーシアム会員の国内企業が使用可能）
シミュレータ独自モデル
Diode：HiSIM-Diode（HiSIMコンソーシアム会員の国内企業が使用可能）
PBT：MEXTRAM, HICUM（CMC標準モデル）
GaN-HEMT：Angelov-GaN
ベンダー独自モデル（X-parameter、Cardiffなど）

U-MOS

SPICE Macro Model：
Si-MOSFET / SiC-MOSFET：アナログビヘイビア、Level3、BSIMベースのサブサーキットモデル
IGBT： BSIM3（Level3）+SGP+UCB Diodeベースのサブサーキットモデル
Si-Diode / SiC-diode：UCB Diodeベースのサブサーキットモデル
IPD：アナログビヘイビアサブサーキットモデル
GaN-HEMT：アナログビヘイビア、等価回路ベースのサブサーキットモデル
Thermal：RCベースサブサーキットモデル

2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションモデル作成時の課題• データシートに記載されている各特性例

データシートからモデル作成する場合に合わないことがある？
2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションモデル作成時の課題• モデル作成の準備– データシート記載の特性をモデル作成のリファレンスとして数値データにする
Ic-Vce Characteristics
180150120906030002
VGE=7.5

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

48.0

68.5

89.0101015

シミュレーションモデル作成時の課題• Id-VdとId-Vg特性間の検証例
Id-Vd

Id-Vg

25℃
25℃

Vd=6V

データシートから数値化したデータ

Id-Vd特性とId-Vg特性の値に不一致があり特性間に矛盾が見受けられる2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションモデル作成時の課題• Id-VdとRon-Id特性間の検証例
Id-Vd

データシートから数値化したデータによりIdとRon妥当性の評価

Id-Vd数値データからRonの計算（Ron=Vd/Id）

Vgs=10V

Ron-IdRon-Id特性図から数値化したもの

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

Vgs=10V

シミュレーションモデル作成時の課題• スイッチング（ターンオン，ターンオフタイム）特性検証結果例
TC=125℃
LS=100nH
LLOAD=200nH
VCC=1650V
RG=3.9Ω
VGE=±15V

ton, toff characteristics
12.0

ton, toff [us]

10.0
8.0

ton_spec

6.0

toff_spec

toff

ton_simtoff_sim

4.0

スイッチングテスト回路

2.0

ton

0.0
0

200

400

600

800

Ic [A]

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

1000

12001400

シミュレーションにおける課題• スイッチング特性を実測とシミュレーション結果を検証
ウェーブフォーム
ジェネレータ

コイル
4mH

Free
Wheeling
DiodeIGBT

電源コンデンサ
オシロスコープ

抵抗

負荷インダクタンス 公称値 4mHOFF
Measured
Simulated

300kHzON

23MHz

Measured
Simulated
ベクトルネットワークアナライザ

2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションにおける課題• ダイオードのリカバリ特性の実測とシミュレーション結果検証
通常のダイオードモデルパラメータTTによる調整のみ

モデルのdi/dtが実物より大きい負荷電流を転流させるためのダイオード（FWD：. Free Wheeling Diode）

MODECHのノウハウでサブサーキットで表現したダイオードモデルでリカバリー特性を再現

モデルのdi/dtは実物と一致

2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションにおける課題• 特にスイッチング特性は、実測を行うことでモデルの精度が向上• 課題– モデルの精度を上げるには、測定環境を用意し実測が必要なる。その一方で測定工数が増えることで１デバイスあたりのモデリング費用が高くなる。
– 設計者がシミュレーション用モデルの入手性が悪く、セットメーカの費用負担が増える。
– これらの背景からシミュレーション環境構築のためのイニシャル費が増える– シミュレーションを活用する敷居を高くし、シミュレーションの利用シーンが広がらない• 課題解決のためにデータシートに記載されている特性と情報を標準化することで、高精度なモデルの作成工数削減により、入手性を向上し利用シーンを増やすことが可能、
2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

LPB-SC(MDL_WG)
パワーデバイス仕様書検討TG 活動

パワーデバイス仕様書のガイドライン項目• データシートの記載内容で着目する特性– 対象デバイス：Si-MOSFET / SiC-MOSFET / IGBT / GaN-HEMT• Ron、パルスIV特性• 容量特性、ゲートチャージ、駆動容量（Qgd）、Ron・Qgd性能指標• スイッチング特性： td(on)、tr、td(off)、tf 測定回路と条件の情報• ダイオード逆回復特性• ガイドラインの要旨– 対象デバイス（パワーMOSFET）• Id-Vd と Id-Vg 特性間で矛盾が無いこと• Id-Vd と Ron-Id 特性間で矛盾が無いこと• CV特性 と ゲートチャージ特性は必ず記載があること• スイッチング特性（測定回路・条件、波形を明記する）• ダイオードの逆回復特性 （測定回路・条件、波形を明記する）

2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedシミュレーションモデルの検証• パワーデバイスのモデリングと検証– ターゲットデバイスとデータシートについて
品名種類概要RJU60C6SDPQ-A0 DIODE

600V, 25A 高速リカバリダイオード

RJS6005WDPK

DIODE

600V, 30A SiCショットキーバリアダイオ
ード

RJK5015DPKMOSFET

Nch 500V, 25A Si高速パワースイッチ
ング

NP75P04YLG

MOSFET Pch -40V, 70A 大電流スイッチング用

NP45N06PUKMOSFET Nch 60V 45A

RJP60F5DPM

IGBT

RJH65T47DPQ-A0 IGBT

大電流スイッチング用

600V, 40A 高速パワースイッチング
650V, 45A 力率改善

2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedモデリング結果：RJU60C6SDPQ• 順方向特性（IF-VF）• 容量特性2016 MoDeCH Inc. All Right Reservedモデリング結果：RJU60C6SDPQ
このデータシートには測定回路の記載なし• 逆回復時間特性

ダイオードの逆回復時間の評価
方法には、IF-IR測定や、di/dt法と併せてデータシートに試験回路がある場合など様々。

0A

98.2[nsec]

-5.0A

-9.0A
289ns
320ns
I(VR3)

360ns
Time

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

400ns

モデリング結果：NP45N06PUK
Rds(on),If-Vsd特性

Id-Vds,Id-Vgs特性
Simulated

Simulated

160A

140A

120A

100A

80A

60A

40A

20A

0A
0V

0.2V
I(M1:1)

0.4V

0.6V

0.8V

1.0V

1.2V

1.4V

1.6V

V_VDSSimulated

Simulated

100A

1.0KA

10A

100A

1.0A

10A
100mA

1.0A
10mA

1.0mA
0V

1.0V

2.0V

3.0V

4.0V

5.0V

6.0V

I(M1:1)
V_VGS

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

100mA
0V

0.2V

0.4V

0.6V

I(M1:3)
V_VDS

0.8V

1.0V

1.2V

モデリング結果：NP45N06PUK• C-Vds,Vgs/Vds-Qg特性

Simulated

Simulated
150V

210V

45V

9V

40V

8V

35V

7V

30V

6V

25V

5V

20V

4V

15V

3V

10V

2V

5V

1V

0V

>>
0V
0s
15us

10us
15us
20us
25us
V(D,0)
2V(G,0)Time2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

30us 35usモデリング結果：NP45N06PUK• スイッチング波形の妥当性が確認できない
Switching characteristics
PARAMETERS:V

VSD = 30

R1OUT

NMOS_NP45N06PUK{RL}

VG = 10I

RL = 1.3
RG = 1m

V1V

RGS = 1g

Rg

DC = {VSD}
M1

V2

I{RG}
RGS
{RGS}

000

TRAN = pwl(0 0 0.3u 0 0.3001u {VG} 2.4u {VG} 2.4001u 0)

2016 MoDeCH Inc. All Right Reserved

td(on)
tr(on)

データシート Simulated
15ns
6.4ns
5ns
23.9nstd(off)tf(off)37ns
3ns

2.82ns24ns0

パワーデバイスに関する規格調査• IEC規格の調査– パワー半導体関連のIEC規格情報について、SC47E/WG3国内委員会
より、以下の情報を入手• IEC 60747-2 Rectifier diodes• IEC 60747-3 Signal, switching and regulator diodes• IEC 60747-6 Thyristors• IEC 60747-7 Bipolar transistors• IEC 60747-8 Field-effect transistors• IEC 60747-9 Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)• IEC 60747-15 Isolated power semiconductor devices– IEC規格内には、パワー半導体の測定に関する規定がありそうLPB
LPBMeasuring methods
1 General
2 Alternative methods of measurement
3 Measurement accuracy
4 Protection of devices and measuring equipment
5 Thermal conditions for measuring methods
6 Accuracy of measuring circuits

Copyright© JEITA SD-TC All Rights Reserved 20172017/3/10

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まとめ• 現状のパワーデバイス用のモデリング精度を確認• データシートの記載内容に不一致例を確認• ガイドラインの要旨をリストアップした• 各デバイスのIEC60747企画の内容確認が必要– (Ron、パルスIV特性、容量特性、ゲートチャージ特性、スイッチング特性、ダイオード逆回復特性）

今後の活動– IEC 60747-８（MOSFET)記載内容とモデルの精度の因果関係を調査– データシート記載で追加情報の新たなガイドライが必要であれば継続検討する（JEITA規格にするかどうか）– デバイスメーカ様の協力を得て、モデルの精度実現に貢献– パワーデバイスモデリング技術セミナー

LPB
LPB

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