TND6330JP/D
Rev. 5, July − 2022

フィジカルかつスケーラブルなシミュレ
ーションモデルによるパラメータとアプ
リケーションの"© Semiconductor Components Industries, LLC, 2020

July, 2022 − Rev. 5

1

Publication Order Number:
TND6330JP/D

フィジカルかつスケーラブ
ルなシミュレーションモデ
ルによるパラメータとアプ
リケーションの"：

Z-では、12の1]としてオン_`や6aコ
ンデンサbなどのデバイスパラメータを56するための2cなシミュレーションCdの.3に4をeてています。
'VWIのあるモデルとないモデルの5いについても"[します。
また、フルブーストステージdでDられた67(/、<=など)についても"[します。

Heinrich Kamamen
Field Application Engineer｢オン｣

Didier Balocco
Technical Marketing Engineer

ゲート−ソースをパラメータとするドレイン
ドレイン−ソース(の/: NTHL040N65S3F)

オン8fIまたはg9は、ゲート−ソース (jをパラメータとしてJして、ドレイン−ソース(jによってドレイン(:がどのようにl"するかを;すものです。このg9は、MOSFETについて"[しているすべてのmnのoZ(Figure 1p<)、およびデータシート(Figure 2p<)に.=されています。
｢オン｣Iまたはg9は、,の2つの8fで@qされます。
• 9Sまたはオーミック8f：MOSFETが_`として12する8f(RDSonとrぶ)• Bs8fまたはCI8f：g9がほぼtuになり、MOSFETが(:Dのように12する8f


フィジカルかつスケーラブルなモデリングは､プロセスとレイアウトのパラメータにづくなSPICEモデリングであり、SPICE、、およびプロセステクノロジ のリンクを じて、
の! "を# にします。オンセミのWebサイ
トから、ほぼすべてのディスクリートパワーコンポ
ーネントのフィジカルかつスケーラブルなモデルを)できます。モデルのがいので、ユーザはデバイスのパラメータがデータシートにない./、0の12に34するパラメータを(データシートにあるかのように)56できます。これらのモデルは、7のアプリケーションでのデバイスの91をリ
アルに:;できます。パワーデバイスの<=は、
>にづいて?するのではなく、すべての@(レイアウト、A1@など)をBむ7CでDられます。 /などのなEFをモニタして、HIにJするデバイスのミッションプ
ロファイルを0することもできます。

これらのg9はおよそゲートにvwされる(jにVWします。
このオン8fg9は、オンセミのアプリケーショ
ンノート｢MOSFET Basics｣[6]に、x\のFigure 1のよ
うに.=されています。
ActiveOhmic

はじめに
フィジカルかつスケーラブルなモデリングは、James Victoryによって M[1]､[2]､[3]およびチュート
リアル[4]で!"されています。これらのモデルはシ
リコン(または#"ケイ、$"ガリウム)R%>とデバイスのS&にづき、カーブフィッティングではDられません。これらは91モデルです。テクノ
ロジプラットフォームにリンクされており、スケー
リングによってデバイスがUDされます。モデルにはパッケージング@がBまれます。'VWIも()−'*Xをいて､シミュレーションYに+,されます。これについてもZ-で"[しています。
シミュレータ(Orcad､SIMetrix､LTspice)のセットア
ップについては､\.のM/[5]で"[されています｡

Cutoff<<<<Figure 1. Typical On−Region Curve froma University Book

yEでは、このg9は3]スケールでF;されます 。 z え ば 、NTHL040N65S3F 、SuperFET3 Fast

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2

recovery 40 mWの./、Figure 2のようなg9になります。

Figure 4. On−Region Simulation Setup

オン8fIのパラメータとしてゲート−ソース(jをJするために、(jD(VGG)に3してマル
チステップ!Hを~にしました(Figure 5p<)。

Figure 2. On−Region Curve from Data Sheet

SIMetrixでこのIを56するために、3ピントラ
ンジスタモデルをJし、トランジスタに2つの(jDを Gしました。Figure 3に;すように、1つはドレインとソースピンの 、もう1つはゲートとソースピンの です。
VDrainI−V
XY Probe

NTHL040N65S3F_3p

Q

Figure 5. On−Region Multi−Step Setup

Jえられるゲート−ソース (jbを0Kするために、リストを2qしました(Figure 6p<)。

VDD

VGG

Figure 3. On−Region Simulation Schematic

シミュレーション@qはFigure 4をp<してください。ドレイン−ソース (jD(VDD)のDCスイープ!HモードをI|します。
Figure 6. On−Region Simulation List Setup25°Cについて、シミュレーションを7Lしました。
Figure 3のCdに｢X−Yプローブ｣をMwし、ドレイン(:3ドレイン−ソース (jの1をプロッ
トし、Figure 7がDられました。

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3

は、じセットアップをJします。pJM/にある9SスケールをJして、,の67(Figure 9p<)がDられました。

Figure 7. On−Region Curve Simulation Results

yEg9にいたゲート−ソース (jとじbのリストをJし、さらにXNとYNに3]スケールをいて、Figure 8に;すg9がDられました。

Figure 9. On−Curve Simulation Results

このシミュレーションでは、Dられた67は
MOSFETのyEをはるかにSえます。したがって~ではありません。モデルはyEのTでのみ~
です。
5ピンモデルで /をモニタする./、,のシミュレーションCdになります(Figure 10)。
VDrainI−V
XY Probe

Y

Temp

X

NTMFS5C604N_5P
Q

Tj

Tj

{Temp}

Figure 8. On−Region Curve Simulation Results

VGG

じOで、Figure 2とFigure 8をPQすると、シミュレーション67(々のMOSFETモデルで7 )が、7での0でDられたbやデータシー
トから56したbとにRしていることがわか
ります。

VDD

Tcase
Solv
1Meg

TCase

Figure 10. On−Curve Simulation Schematic witha Constant Temperature Package

ゲート−ソースをパラメータとするドレイン
ドレイン−ソース(2/: NTMFS5C604N)

このモデルは、(jが、(:がUV(aをFす()−'*XをJしています。ケースは(jDをJしてシステムに0されます。(jDのbは、SIMetrixl]｢Temp｣にシステムがW
Xされている&で0されます。システムは

ここで、NTMFS5C604NなどのY(jMOSFETモ
デルと、Figure 3とじシミュレーションCdをJします。またドレイン−ソース (jについて

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4bにwする。ドレイン(:が280 AのyEcdにeするに､ /は175°xにする。
• ゲート-ソース (jが5 Vの./、デバイスはオーミック8fにfるが、ドレイン(:が280 Aのcにeするに /は175°までする。
• ゲート-ソース (jが9 Vの./、デバイスはオーミック8fにfまるが､ /が175°Cにeするにドレイン(:は280 AのyEcdまでする。

、シミュレーションセットアップウィンドウのオ
プションタブで25°Cに0できます(Figure 11p<)｡

Figure 11. System Temperature Setup

ソルバーのをけるために、｢ /｣ピンに1 MW_`をMwするがあります。I−V｢XYプローブ｣のに、｢XYプローブ｣をJした2つYのプロットをLい、 /の91をモニタしています。
Figure 12のg9がDられます。

Tj(Q) / °C

600

500
400
300
200
100

ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ
ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ
ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ
ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ
ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ
ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ

ID / A

250

VDrainY

Temp

X

VGS=5V

175°C

1

1.5

VGS=4V

2

2.5

3

3.5

Tj

4
500mV/div
4.5

NTMFS5C604N_5P
QÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊ

SC

280A

VGG

{Temp}
TCase

Solv
1Meg

IDD

150

1m Pulse(0 280 0 1 1 0 2)

100

Figure 13. On−Curve Simulation Setup with Current
and Junction Temperature Shutdown

Thermal runaway

50

0 0.5
VDS/V

Tj
Tcase

200

0

I−V
XY Probe

VGS=9V

25
0 0.5
VDS/V
300

(:が300 Aにeしたとき、または /が175°Cにeしたときに(:をgめれば、yETにまることになります。
ドレイン−ソース (:Dを300 Aにcします。
/でh1されるスイッチをJして、
が175°Cxになると(:Dをijさせます。デバ
イスがえたときにたにターンオンするのをkけるために、lにmきなヒステリシスを7mしています。
Figure 13に、x\のシミュレーションCdを;
します。

1

1.5

2

2.5

3

3.5

(:Dをijしているスイッチのセットアップはx\のとおりです(Figure 14)。

4 4.5500mV/div

Figure 12. On−Curve Simulation Results with 255C
Constant Temperature Package

パッケージを25°CにZしても、 /が175°C([0!m /)xにし、ドレインピンに:れる(:は280 A (25°Cでの!m0W(:)
xになります。
Figure 12の67を\]すると、x\のに^Yできます。
• ゲート-ソース (jが4 Vの./、Bs8fで'
_が`られる。(jのYには、(:がwaFigure 14. Switch Setup to Short the Current Source

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5スイッチのオン_`は､シミュレート(または0)
するデバイスのオン_`よりもかなりくなければなりません。
このスイッチは、200°CのヒステリシスのnをA
ける1 mWのオン_`で2qされ、スイッチング
は10 nsに0されています。
.のCdをシミュレートして、Figure 15に;すg9がDられました。

Tj(Q) / °C

160

ここで、5ピンモデルをJして、をyETに¨える./､Figure 16のCdをJしてyG12モードでオンカーブをDることができます。
VDrainNTHL040N65S3F_5p

VGS=4V

SC

Tj

Tj

Q

140

Tcase

120

100

VGG

{Temp}
TCase

Solv
1Meg

80
VDD

60
40

1m Pulse(0 20 0 1 1 0 2)

25
0.5
0
VDS/V
VGS=10V

12

1.5

Thermal runaway

3500mV/div
2.5

Figure 16. On−Curve Simulation Setup with Voltage
and Junction Temperature Shutdown

VGS=8V
VGS=7V250

ID / AI−V
XY Probe

VGS=6V200/が150°Cにeしたらカーブを«gするた
めに、 /でh1されるスイッチをJします。Figure 13とPQすると、(jDをJし、が150°Cにeするとターンオフする(j−スイッチの12をzにしています。スイッチのセットアップを
Figure 17に;します。

VGS=5V

150

100

VGS=4.5V

50

0

VGS=4V

0.5
0
VDS/V

1

1.5

2

3
500mV/div
2.5

Figure 15. On−Curve Simulation Results up to
280 A and 1755C Junction Temperature with 255C
Case Temperature'oが21すると、ON/OFFスイッチではないので、ドレイン(:がすぐにゼロになりpt9にfまります。これらのtuな9は、わかりやすくするた
めに、.グラフ(Figure 15)からは¡dbに¢qされています。
ゲート−ソース (jが4 Vの./に'_が`られます。Bs8fまたはCI8fでg9が£びr
ちがり、 /が¤]g9とEにします。これはドレイン−ソース (jが2 V¥sにeするとtこります。 /g9の¦きは、40°Cから175°Cまでaでl"します。

Figure 17. Switch Setup to Open the Voltage Source

.のCd(Figure 16)でシミュレーションを7Lしたら、Figure 18に;すg9がDられました。

NTHL040N65S3Fの0と3ピンおよび5ピンモデルとのオンカーブの

yEでは、オンカーブの0において、u§v'
を¨えるために250 msのパルスをJし､ケースは25°Cとします。Figure 2をp<してください。
Figure 3の3ピンモデルとFigure 4､5､6に;すセットアップをJすると､Figure 8のg9がDられます。
3ピンモデルでは、u§v'がダイにnしな
いため、ほぼじ67がDられます。ダイを0wªでZしたり、'インピーダンスがゼロのx
cヒートシンクを:0したりするのとEです。

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6

VDrain
V(P)/I(Sns)
RDSon

RDSon
Ron−I

I(sns)OUT

XY Probep

NTHL040N65S3F_3p

Q

IDD

VGG

Figure 19. On Resistance versus Drain Current
Simulation Schematic
Figure 18. On−Curve Simulation Results up to
200 A and 1505C Junction Temperature with 255C
Case Temperature

シミュレーション はNTHL040N65S3F MOSFET
3ピンモデルで7Lされ、このシミュレーションには25°CのがJされました。このシステムのセットアップについては、Figure 11をp<してください。
このシミュレーションセットアップでは、ドレイン(:にDCスイープを しました。ゲート−ソース (jについては、Figure 3とじようにマルチス
テップ!HをLい、オン8fg9をシミュレートしました。
オン_`をするには、²¡ソースをJして、ドレイン−ソース (jをドレイン(:でqしたbをめます。これにより、オン_`にPz
した(jがDられます。²¡1]のセットアップz
については、Figure 22をp<してください。
_`bg9をF;するには、X−YプローブをJします。XNはドレイン(:に、YNはオン_`の²¡1]に Gします。
シミュレーションの67、x\のg9がDられました(Figure 20)。

'oが21すると、ON/OFFスイッチではないので、ドレイン(:はすぐにゼロになりpt9にfまります。これらのtuな9は、わかりやすくするた
めに、.グラフ(Figure 18)からは¡dbに¢qされています。
u§v'のnを`ることができ、yGモード1
2で~なg9がDられます。
データシートのIを¬にエミュレートするために，®ドレイン−ソース バイアス&の250 msトランジェントパルスをシミュレートするがあります。パルス|°のドレイン(:が、®(jDパ
ルスごとにサンプリングされます。その±、ID vs.
VDS プロットが2qされます。このセットアップ
は、SIMetrixのスクリプト} をJするがあるため、ここでは;していませんが、PSpiceで\~されています。
オン4ドレイン

このIは、ドレイン(:とゲート−ソース (jに3してオン_`bがどのようにl"するかを;しています。このIをDるために、Figure 19に;すように、ドレインとソースピンの に(:Dを Gしました。

Figure 20. On−Resistance Value versus
Drain−Current Simulation Results

.のプロットで、MOSFETモデル｢NTHL040N65
S3F｣をいたシミュレーションでDられた_`g9と、データシートに.=されているg9との に、わずかな5いがあることがわかります。
³7、ドレイン(:100 A、ゲート−ソース (j10 Vの./、シミュレーション67とデータシートの0bの´はほぼ1.25 mWです。これは 3%の3b´にeし、µTです。
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7¿を25°Cにして､(Figure 23のDCスイープ・
シミュレーションで)12のを7Lします。
これはFigure 23ののDCOP (dc operating point)
シミュレーションとを して0Kされます。

オン4

このg9で、に3するオン_`のl"をすることができます。は(キャリアの¸¹に
nをºえ、これがトランジスタのオン_`bに
nをºえます。
スイッチングアプリケーションでは、ターンオン
にトランジスタに(:が:れ»めます。するとu§v'によって /がします。その6
7、ターンオンの(:によるでオン_`bがwすることになります。
ここでは、オン_`bをするための²¡1]ブロックを¼するCのシミュレーション(Figure 19)とほぼじCd(Figure 21p<)をJします｡25°Cのbでg9を["するパラメータをMwしています(Figure 22p<)。(のドレイン(:の½わりに) X−Yg9をの1]としてプロットしました。

Figure 23. On−Resistance Value versus
Temperature Operating Point Simulation Setup

VDrainV(P)/I(Sns)/RDSon25C
RDSon

RDSon
RDSon−TemperatureI(sns)p

また、Figure 21のCdには、12での²¡1]の67(オン_`b)を;す｢バスアノテーションマーカ｣をきました。

XY Probe

OUT

33.5196m

Q
32.5
IDD

NTHL040N65S3F_3p
10
VGG

VTemp
{Temp}

Figure 24. On−Resistance Value versus
Temperature dc Sweep Simulation Setup

Figure 21. On−Resistance versus Temperature
Simulation Schematic.のFigure 24に;すように、でDCスイープ
を7Lするようにシミュレーションをセットアップ
します。
1. Figure 22に;すように、²¡1]ブロックのパラメータRDSon25Cを1に0する。
2. 1CYのシミュレーションを7Lする。
3. バスアノテーションマーカ(Figure 21に;すとおり33.5196m)で25°Cのオン_`がDられる。
4. また、の1]としてのオン_`bもDらる(Figure 25p<)。
5. ²¡1]パラメータRDSon25Cに､このバスア
ノテーションマーカの67のbを0する。
6. 2CYのシミュレーションを7Lする。
7. バスアノテーションマーカは、²¡1]ブロ
ックパラメータがしく/に0されていれば、 1またはそれにlにsいbになる。
8. Figure 26に;すように、["されたオン_`3がDられる。

このシミュレーションでは、データシートのとおりゲート−ソース (jには10 VをJしました。yE¾に.=されているbとRするように、(:Dは32.5 Aを0しました。
シミュレーション(SIMetrixl]｢Temp｣)と*しい(jDをJして､X−YプローブのXNにします。
X−YプローブのYNは²¡1]6aに Gされます｡

Figure 22. Arbitrary Function Setup

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パラメータを0し(RDSon25Cを 1 に) ､ 12
(VGGとIDD)をlÁすると、Figure 25に;すように、Ybのアプリケーションに4じて²¡の12でのオン_`3がDられます。

Figure 26. Normalized On−Resistance Value versus
Temperature Simulation Results
オン4!("#$)

5ピンモデルは，ミッションプロファイルに4じた/の91をりたいときにlにÂrちます。
このでは、1 A〜40 Aの¿パルス(:がス
イッチを しているとÃ0しました。Ã"：スイッチのケースは0のヒートシンクにUり¥けられている(Ä'3なし)。このがシステムとしてI|され、システムをFすSIMetrixl]｢Temp｣に*しいbをつ(jDによってモデル"されます。Figure 11をJして、このシステム
を25°Cに0します。
オン_`bのl"を!HしようとÅいます。そこで、じ²¡1]を£¼してオン_`をその.ですることにします。²¡1]のセットアップは
Figure 22をp<してください(ここでは､｢RDSon25C｣
パラメータはJしません)。Figure 27に;すCdがDられます。

Figure 25. On−Resistance Value versus
Temperature Simulation Results

Figure 25では、25°Cにおけるオン_`を33.5196m
として0できます。このbを²¡1]パラメータ
RDSon25CにJしてシミュレーションを£7Lす
ると、Figure 26に;す["されたオン_`g9がDられます。
プロットFigure 26はyE¾に.=されているものとEです。

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9200 msのトランジェントの±でもシステムはË0
しています｡ /の!mbは36°C､!Ìbは30°Cです。 /はこの2つのbの でÍÎします｡また、zえば｢Average PerCycle Probe｣をJして、1サイクルのtÏをすることもできまし た。

VDrainV(P)/I(Sns)
RDSon
RDS
I(sns)

OUT

RDS

p
Tj
ID

Tj

Tj

NTHL040N65S3F_5p
Q5%&'
ÐeIは、ゲート−ソース (jに3してドレイン(:がどのようにl"するかを;します。ドレイ
ン−ソース (jはÑ0されます。このシミュレー
ションセットアップから、MOSFETのトランスコン
ダクタンスを56することができます。シミュレー
ションは、ドレイン−ソース (j20 V(データシー
トのセットアップとE)とE々なbに3して7Lしました。
シミュレーションCdFigure 29では、X−Yプロ
ーブをJしてÐeIをプロットします。は｢マルチステップ｣シミュレーションリストで0さ
れます。

Tcase
Solv

10

{Temp}

VGG

TCase

1Meg

IDD

Pulse(1 40 50m 1m 1m 24m 50m)

Figure 27. On−Resistance Analysis versus Time
Simulation Schematic

pJまでにドレイン(:をプロットします((:プローブ をJ)。オン_`と /をモニタするので、Figure 27に;すように、さらに2つのプローブ((jプローブ )をMwします。

VDrainID−VGSXY Probe

NTHL040N65S3F_3p

Q

20
VDD

VGG

Figure 29. Transfer Characteristic Simulation Setup

このシミュレーションにJするbのリストを2qして、ゲート−ソース (jのDCスイープとに1するマルチステップ!Hを0Kしました。

Figure 28. Dynamic Analysis Results for the On
Resistance and the Junction Temperature versus
Time

Figure 28では、ドレイン(:が1 Aから40 Aに、またそのzにÆにl"すると、オン_`がÆにl"することがわかります。このは、Figure 20でDられるg9(オン_`3ドレイン(:)からÇされたものです。また、(:のプラトー(1 Aと40 AのRまたはÈR)において、デバイスuÉのu§v'またはÊのnも できます。

Figure 30. Transfer Characteristic Simulation Results

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10.のFigure 30は、々のトランジスタモデルでDられたシミュレーション67とデータシートのパラメータ(またはIg9)がÒÓRしていることを;しています。

パラメータをJして、DCドレイン−ソース (j(VDD)、ÌÍÎÙ(j(VMeas)、およびその¿](FMeas)を0Kしました。
SIMetrixの｢Command Window｣(Figure 32p<)に、\.のMをMwしました。F11キーをÛすと、このパネルのF;/lF;をÜりÝえることができます。

5%&'
スイッチングアプリケーションでは、Coss = (CDS
+ CGD @ VGS = 0 V)で0KされるCoss とrぶ6aコン
デンサが､トランジスタのスイッチング<=にnをºえるのでなパラメータとなっています。7
､MOSFETがターンオンするたびに、6aµにされたエネルギーがトランジスタでÕされます。Coss がいほどÖです。Coss はl9Sµで、ドレイン−ソース (jにmきくVWします。
yE¾に.=されている6aµbには3〜4つのタイプがあります。
6aµbのタイプは,のとおりです。
• ÌH×b• 7b• エネルギー1yb• Ø(1yb.ParamFMeas=1Meg.Param VMeas=10m.Param VDD=400
Figure 32. Parameters Statements inthe “Command Window”

Figure 33のように、パラメータVDDをJして｢マルチステップ｣トランジェントシミュレーションのセットアップを2qします。

Zでは、これらのbをシミュレーションによって56するRについて"[します。
(6)4(*+1:トランジェントシミュレーション)ÌH×コンデンサを0するために、ÍÎのÙ(jがDCドレイン−ソース (jDにされます。ドレイン−ソース yG(jのいくつかのbに3してドレイン(:のピーク−ピークbが0され、(µbをするのにJされます。
コンデンサのアドミタンスが、ピーク−ピーク(:とピーク−ピーク(jPの1]として、,>で0K
されます。
2p

f

C oss +

Figure 33. Small−Signal Capacitance
Pre−Simulation Setup

10 msのトランジェント!Hを7Lしますが､bは8 ms±にのみWして0&12をF;し、eÞ
のbな12をCkします。
Figure 34のような(:SがDられます。

(Drain Current) Peak*to*Peak(Drain * to * Source Voltage) Peak*to*Peak(eq. 1)Figure 31に;すように、¿]が1 MHzの20 mVピ
ーク−ピークÙ(jDをドレイン−ソース yG(jと ÚにJします。
トランジスタのドレインピンに(:プローブ
をMwし、ドレイン(:を0しました。
VDrainID
Q
NTHL040N65S3F_3p
VDD
Sin({VDD} {VMeas} {FMeas} 0 0)

Figure 34. Drain Current Waveforms when the dc
Drain−to−Source Voltage Change
Figure 31. Small−Signal Capacitance
Pre−Simulation Schematic

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11

Figure 34では、ドレイン−ソース リーク(:にeするDC(:オフセット(32 mA)のWßに^¡してください。
>(1)を!いてCOSS をめると､,>がDられます｡
C oss +

2p

1

f

+

(Drain Current) Peak*to*Peak(Drain * to * Source Voltage) Peak*to*Peak(eq. 2)

この>を²¡1]àプローブに7mし、Figure 35のようにシミュレーションYに1bにCOSS を
し、そのbをプロットしています。0¿]は｢Command Window｣の｢.Param｣Mでパラメータとして0Kされているので、パラメータbをUDしてJするには｢GetDotParamValue(‘Parameter Name’)｣1]をJするがあります。pもパラメータとしてáわれ、EにUDします。

Figure 37. Small−Signal Capacitor Value versus
Continuous Drain−to−Source Voltage

PeakToPeak(I(sns))/PeakToPeak(V(p))/(2*GetDotParamValue(’Pi’)*GetDotParamValue(’FMeas’))VDrain

これらの0bはデータシートの67に /しています。zとして､ドレイン−ソース (jが400 Vの./、Figure 37でCOSS bを0すると142 pFであり、これはデータシートに.=されている140 pFとほぼRします。

I(sns)p

Coss

Q
NTHL040N65S3F_3p(6)4(*+2:ACシミュレーション)

VDD
Sin({VDD} {VMeas} {FMeas} 0 0)

ACシミュレーションでは、SIMetrixにより¿]xâのパラメータをãäすることができます。ここで、¿]を1 MHzに0し、ドレイン−ソース D
C(jをãäすることにします。
>(1)をいると、,>からac シミュレーションでのCOSSbを6できます。

Figure 35. Small−Signal Capacitance Simulation
Schematic with Arbitrary Probe

SIMetrixをJすれば、H×(ここでは²¡1]プ
ローブの67)をスイープb(ここではyGドレイン−
ソース (jbをFすパラメータVDD)の1]としてプロットできます。これはマルチステップセット
アップで｢Performance analysis｣モードをI|してL
います(Figure 36p<)。スイープbがグラフのXNl]になります。>の67はYNのbにプロットされます。
Figure 36は²¡プローブのセットアップです｡

C oss +

2p

I Dac
f V DSac(eq. 3)

>をな²¡1]プローブに7mし、Figure 38のCdに;すように、ドレイン(:とドレイン−ソース (jに4じてCOSS bを!くことにします｡

Figure 36. Arbitrary Probe Setup

シミュレーションを7Lすると，yEg9とじスケールをいてFigure 37にF;されるグラフがDられます。

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12

VDrainI(sns)/(2*{Pi}*1Meg)
Coss
I(sns)Q

400 AC 1 0
VDDFigure 40. Small−Signal Capacitance Value
Simulation Sweep mode Additional Setup

NTHL040N65S3F_3p

Dられたシミュレーションg9はFigure 41をp<
してください。
Figure 38. Small−Signal Capacitance Value
Simulation Schematic

ACシミュレーションでは、SPICEがDC12をした±、Cを9S"します。Cが9Sなので、Bsリスクなしに²¡のAC(jÍÎを できます。を2cにするために、AC(jÍÎに1 Vを することができます。
シミュレーションセットアップは、x\のFigure 39をp<してください。

Figure 41. Small−Signal Capacitance Value
Simulation Results

このg9(Figure 41)はyEg9とRします。
｢Dynamic Characteristics｣Fには、ドレイン−ソース(jが400 Vの./のÌH×6aコンデンサが.=されています。々は、.のシミュレーションg9
でCOSS bを142 pFで0しており、これはyEでºえられた140 pFにほぼRします。
この2つのRでじ67がDられます。

Figure 39. Small−Signal Capacitance Value
Simulation Setup,-4｢multi−step｣ボックスのチェックをâしておきます。スイープbは、yGドレイン−ソース (jに3するもので、100 mVから650 Vまで、25 points per
decadeをJします。
スイープ!Hの7LRを0するには､｢Define｣
ボタンの\にMwセットアップを するがあります(Figure 39p<)。Figure 40では、スイープするデバイス(VDD、(jD)とAC¿]を1 MHzとして0Kします。また、ACÍÎは1 Vに0します。

コンデンサの7bは、[7]において、100 kWのÚ_`が6aコンデンサをØ(している に、¡æ
(jbと*な(jをつ(jDでの(/エネ
ルギーをする*X9Sコンデンサとして0Kされます。このbをJして、çÍトポロジでのスイッチング をできます。
この@qの9SコンデンサのØ(*>は、,>でºえられます。

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13

V DS(Time) + V DDǒ1 * e *Timeń(RD Coss)Ǔ

(eq. 4)｢Time ｣ は  ß の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン  を F すSIMetrixl]です。
この>を!いて6aコンデンサbをめると、,>がDられます。
Time

C oss +
RD

ǒ

ln V

Ǔ

V DD
*V (Time)DDDS(eq. 5)

CLったように、この>を²¡1](または(jUDしますD)でJして、COSS bをCdで(Figure 42p<)。X−YプローブをJして、COSS b
3ドレイン−ソース (jをプロットします。
VDrainY

Coss_EffectivepCoss−VDS

Figure 44. Effective−Capacitance Value Simulation
Results

X

エネルギー./4

OUT

IC
0

Coss
time/(RD*ln(BVDSS/(BVDSS−V(p))))Q
NTHL040N65S3F_3p

コンデンサにえられるエネルギーは,>でFさ
れます。

RD
{RD}

dW + v(t){BVDSS}
VDD

i(t)

d(t)

(eq. 6)

また、コンスタントコンデンサの!|エネルギーは,>でFすことができます。
W + 1 CV 22(eq. 7)>(6)をÓして>(7)にきëえると、コンデンサ
bを56できます。

Figure 42. Effective−Capacitance Value Simulation
Schematic2_ `(RD) と ( j D(VDD) の b は 、 ｢Command
Windows｣(F11)のパラメータで0します。bはそれぞれ100 kWと650 Vです。これらをFigure 43に;します。

C oss +ŕTime

V DS(t)

I D(t)dt

02

V DS (Time)(eq. 8)(jDの½わりに(:DをJして(7bセット
アップで)6aコンデンサをØ(します。ここでも、
めま²¡1]にこの>をJして、COSS bをす。Ó1]｢SDT()｣をrび6して、Óìを0しました。
また、｢IC｣¢èコンポーネントをJして、シミュレーションを£»したときに、ドレイン−ソース(jが0 VになるようにÞéを0しました。
これは6aコンデンサに(がないことを¡êします。
Figure 45に;すシミュレーションCdがDられます。
Figure 46にUDしたシミュレーションg9を;します。

.Param RD=100k.Param BVDSS=650
Figure 43. Parameters Statements in the“Command Window”｢IC｣¢èコンポーネントをJしてシミュレーシ
ョンを£»したときに、ドレイン−ソース (jのÞéを0 Vに0しました。これは6aコンデン
サに(がないことを¡êします(Figure 42p<)。
Dられたシミュレーションg9をFigure 44に;します。
｢Dynamic Characteristics｣Fに、ドレイン−ソース(jが400 Vの./の6aコンデンサの7bが.=されています。Figure 44では、シミュレーションg
9でCOSS bを 1305 pFとして0しました。このbはyEで[0される1366 pFにほぼRします。

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14

｢Dynamic Characteristics｣Fには、ドレイン−ソース(jが400 Vの./の6aコンデンサの7bが.
=されています。々は、.のシミュレーション
g9でCOSS bを245 pFとして0しましたが、これはyEで[0されている247 pFにほぼRします。

>(9)をÓして>(10)にきëえると、コンデン
サbを56できます。

ŕC oss +

Coss−VDS

VDrainI(sns)I D(t)dt

0

V DS(Time)(eq. 11)(:DをJして6aコンデンサをØ(します。
ここでもEに、²¡1]でこの>をJして、めます。Ó1]｢SDT()｣をJし
COSS bをてされた(をします。

Y
2*SDT(V(p)*I(sns))/V(p)/V(p)Coss_Energy

Time

X

OUT

p

Coss−VDS

VDrainIC
0Y
SDT(I(sns))/V(p)Coss_Charge

CossQ
NTHL040N65S3F_3p1m
IDD

I(sns)

X

OUT
IC
0

p

Q
NTHL040N65S3F_3p

Coss

1m
IDD

Figure 45. Energy−related Capacitance Value
Simulation Schematic

Figure 47. Charge−related Capacitance Value
Simulation Schematic

また、｢IC｣íèコンポーネントをJしてシミュ
レーションを£»するときに、ドレイン−ソース(jが0 VになるようにÞéを0します。これは6aコンデンサに(がない&を¡êします。
シミュレーションCdはFigure 47からUDします｡
Figure 48に、UDしたシミュレーションg9を;します。

Figure 46. Energy−related Capacitance Value
Simulation Results
0./4

コンデンサにえられる(は,>でFされます｡
dQ + i(t)d(t)(eq. 9)また、コンスタントコンデンサの!|bな(は,>でFすことができます。
Q + CV(eq. 10)www.onsemi.jp
15

Figure 50. Breakdown Voltage Simulation Results
versus Temperature

Figure 48. Charge−related Capacitance Value
Simulation Results

Figure 50では、リーク(:のによるl"をすることができます。ドレイン−ソース (jが400 V、ダイがそれぞれ−55°C、25°C、150°Cの./に、23 mA、33 mA、254 mAを0できます。
25°Cと150°Cの でmきなリーク(:のwが`られます｡
Figure 50に;すとおり、ドレイン−ソース ¡æ(jは、−55°C、25°C、150°Cのダイでそれぞれ648 V、708 V、781 Vになります。

5%&'
このモデルはtÏbをîïします。このモデルはyETでです。オンセミはyETâの6
7は~していません。
ただし、このモデルはcdをSえてもPQbÖ
なで12し、tÏドレイン−ソース ¡æ(j(BVDSS)などのbをÇすることが# です。yE¾には!Ìbのみ.=されています。
VDrain

ブーストパワーステージ

XY Probe
XY Probe

Q

セットアップZでは、これらのフィジカルかつスケーラブル
なモデルを7のアプリケーションでJします。
Easy Drive SuperFET 3と650 V SiCダイオードをいたブーストコンバータステージについてnします｡
ブーストスイッチにはFCH040N65S3をJします｡これは40−mW 650 V Easy Drive SuperFET 3 MOSFETです。
ブーストダイオードにはFFSB0665AをI|します｡
これはSiC 6−A 650 Vシングルダイオードです。
パワーステージのyEはx\のとおりです。
• )a(j：300 V• 6a(j：420 V• インダクタ(:：4 A• インダクタ(:リップル：2 A• スイッチング¿]：100 kHz• ケース：90°C• ゲートh1(j：10 V• ゲート Ú_`：8 W

1m
IDD

NTHL040N65S3F_3p

Figure 49. Breakdown Voltage Simulation
Schematic¡æ(j3をシミュレートするために、2 mAまでする(:DをJし、｢オフ｣Iをプロッ
トしてみます。Figure 49のdをp<してください。
(ドレイン−ソース ¡æ(jの[0!Ìbは1 mAに3するb)。
ゲートをソースにijすると｢オフ｣&になります。
Figure 50に;すように、X−YプローブをJして、｢オフ｣&のドレイン−ソース (j3ドレイン(:をプロットしてみます。

¤いË0" をkけるためにループを¥じます｡(jモードパルスÎl¦ðをñえたタイプ3§òð
をJします。

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16

²¡1]をJして、ダイオード、MOSFET、
MOSFETをh1する(aの<=をします。
®サイクルのtÏ<=をUDするために、｢PerCycle｣0がJされます。
Figure 51にCdを;します。
PwrDB

SW
PwrDiode{CBoost}OUT

I(Sns)*V(P,N)

CB{LBoost} IC=0
{RBoost}I(sns)

iLB

RB

p

LB

OUT

n

IN

(:とスイッチのターンオンとオフのスパイクを できます。スイッチングノード(jをプロットすることもできます。

Out
DB

FFSB0665A_4p

Tcase

Tj

I(Sns)*V(P,N)
PwrDrainI(sns)
{Vin}
Vin

OUT

PwrTB

p
n

TB−Tj
Tj

FCH040N65S3_F155_5p
TB{Rgate}

DB−Tj

Tcase

esrCout{RCout}

RGate
Gate
n

Case

p

PwrDrv

OUT{Ths}
VHeatSink

I(sns)
Drive

PwrDrv+Cout{Cout}
IC={Vout*1.01}

Per Cycle Mean(PwrDB)

Mean

IN

PwrDB

Per Cycle Mean(PwrTB)

Mean

TIMING
Clk

Drive

RD
1Meg

PwrGateI(Sns)*V(P,N)

Per Cycle Mean(PwrDrv)
IN

Iout{Iout}

RT
1Meg

IN

PwrTB

TIMINGClk

PWM

TIMING
Clk

Comp

UDriveGate−Driver

UPWM
SinglePWM
DMin=0.05 DMax=0.8

PWM

UFeedBack
FeedBack−Type 3 ++

Comp

Comp

Out

OUT

Figure 53. Zoom on Boost Power Stage Waveforms

Meas

Duty
Clk

Zero=0 One=1 Tswr=10n+VMin=0 VMax={VDrv}+Idrv=2 Rdrv=100m

Mean

Ramp
Duty

Clk

Ramp

MOSFETの5ピンモデルとSiCダイオードの4ピンモ
デルにより、®デバイスで /がどれだけするかを できます(Figure 54)。
FCH040N65S3(40−mW 650−V Easy Drive SuperFET 3
MOSFET)ブーストスイッチの /が 1.5°C
し、FFSB0665A(6−A 650−V SiCダイオード)ブース
トダイオードの /が 7.7°Cします。ダイオードパッケージはDPACKで、MOSFETはTO247に÷)されています。パッケージサイズによってがなります。

Meas

Figure 51. Boost Power Stage Schematic§¨セクションのFigure 59にじCのómdを
;します。


Figure 52にこのパワーステージのSを;します｡
10 ms±にパワーステージがË0にôeするのがわかります。6a(jは420 Vで、)a(jは300 V、｢©ª｣インダクタ(LB)のtÏ(:は4 A、このときのリップルが±1 Aです。

Figure 54. Junction Temperature Waveforms

Figure 55のSでスイッチングデバイスの<=を0することもできます。
パワーステージがË0した&で12している.
/、<=はスイッチで5.0 W、ダイオードで3.9 Wです｡スイッチをh1するには260 mWがです｡

Figure 52. Boost Power Stage Waveforms

シミュレーションの!±でズームして(Figure 53p<)、6a(jリップルにwえて、｢7の｣(つまり、@コンデンサCBがöÚになった)インダクタ

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17

Figure 55. Averaging per Cycle Power Losses
Measurement
12を3えた#$このパワーステージをJして、インダクタの@コンデンサがダイオードとスイッチの<=にºえるnを!Hします。この@コンデンサには､1 pF(ほとんどøもない)、10 pF、100 pF、1 nF(ùインダクタ)の4«¬のbをJします。
Figure 56では、ダイオードがこのコンデンサやス
イッチになh1(aのnをAけていないことがわかります。

Figure 57. Switch Losses and Junction
Temperature versus Inductor Parasitic Capacitor

Figure 57で,のbを0できます。
Table 1. LOSSES AND TEMPERATURE VS
INDUCTOR PARASITIC CAPACITOR VALUE (CB)

Figure 56. Diode Losses and Switch Driving Powerversus Inductor Parasitic Capacitor

CB

LossesJunction Temperature Increment

1 pF

3.9 W

1.1°C

10 pF

4.0 W

1.2°C

100 pF

4.9 W

1.4°C

1 nF

14.0 W

4.1°C

Table 1の!Hは、パワーステージの<=を0す
るにはダイオードとスイッチのI だけでなく、ブーストインダクタのI (またはú®)もである
ことを;しています。インダクタ<=は@インダ
クタコンデンサにはそれほどnされませんが、ス
イッチ<=は@インダクタコンデンサにmきくVWします。@インダクタコンデンサは、12モードがなるスイッチ6aコンデンサとじnをºえます。@コンデンサはじÂû(<=のw)を7たし、スイッチ6aコンデンサとöÚに されているように`えます。

しかし、Figure 57に;すとおり、このコンデンサをJするとスイッチ<=がwします。1 pFの@
インダクタコンデンサをJした3.9 Wの<=バジェットから、1 nFの@インダクタコンデンサをJした14.0 Wに­Lします。それに4じて、スイッ
チの /がnをAけます。

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18

これによって<=がvしますが、インダクタの@コンデンサがÆaØ(され、｢:｣インダクタ(:のにいピークがじるためスイッチに<=がvします。
パワーステージの45

ここで、じCdをJして、°]のMOSFETとダイオードをPQし、ブーストステージの<=を! "することができます。
インダクタの@µは7bなbである100 pF
をZします。6a(aは1.2 kWになります。
ダイオードはTO220、MOSFETはTO247のパッケージでøかOした67、x\のTable 2がDられました。
!±に、10 AのSiCü½ダイオード(FFSP1065B)と99−mW Easy Drive SuperFET 3 (FCH099N65S3)による@qでは、<=がýなくなりますが・・・。しかし、tÏ6a(:2.8 Aに3して10 AのSiCダイオー
ドはオーバサイズであり、コストになる# Iがあります。
これらの@qをすべて7 することで､I とコストの で Üなþ協を`つけることができます。

Figure 58. Junction Temperature Change when the
Switch Turns On/S(Figure 58)に^Yすると、のÆ
なl"がわかります。これはスイッチがターンオンするときにvします。ターンオンの¯ 、スイッチ6aコンデンサはスイッチにÆaÄ(します。

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Table 2. LOSSES COMPARISON TABLE VERSUS DIODE AND TRANSISTOR PART NUMBERS
D TJ
Diode

Drive
LossesMOSFET
Losses

Diode
Losses

Total
Losses

1.4°C

7.3°C

0.26 W

4.75 W

4.44 W

9.45 W

1.5°C

10.0°C

0.26 W

4.98 W

3.88 W

9.12 WFFSP0865A

1.5°C

4.1°C

0.26 W

5.26 W

3.63 W

9.15 WFFSP1065A

1.6°C

3.9°C

0.26 W

5.46 W

3.41 W

9.13 W

FCH040N65S3

FFSP1265A

1.7°C

3.7°C

0.26 W

5.67 W

3.28 W

9.21 W

FCH040N65S3

FFSP0665B

1.4°C

13.5°C

0.26 W

4.80 W

3.80 W

8.86 W

FCH040N65S3

FFSP1065B

1.5°C

5.4°C

0.26 W

5.09 W

3.30 W

8.65 W

FCH067N65S3

FFSP0665B

1.6°C

13.6°C

0.15 W

3.90 W

3.80 W

7.85 W

FCH099N65S3

FFSP0665B

1.3°C

13.6°C

0.11 W

3.79 W

3.78 W

7.68 W

FCH125N65S3R0

FFSP0665B

1.7°C

13.6°C

0.09 W

3.85 W

3.79 W

7.73 W

FCH099N65S3

FFSP1065B

1.5°C

9.4°C

0.11 W

4.16 W

3.30 W

7.57 W

MOSFET (TB)

Diode (DB)D TJ
MOSFET

FCH040N65S3

FFSP0465A

FCH040N65S3

FFSP0665A

FCH040N65S3
FCH040N65S3

6Z-では、フィジカルかつスケーラブルなモデル
がディスクリートúの12Çに~であることを;しました。
これらのモデルをJすれば、lに2cなシミュレーションセットアップでyEg9やパラメータを£できます。これらのセットアップをすべて"[し、67を;します。
また、これらのモデルをJして、yEにないパラメータを56したり、g9をqすることもできます。zえば、｢ /｣と｢ケース｣のMw
ピンを7mするモデルをJして、やu§v'
による_`bのl"を することができます。また、 /をモニタして、u§v'が0の1
28fにどのようなnをºえるかを することができます。
さらに、これらをyEとはなる12でのパラメータをめるのにJすることも# です。zえば、コンデンサの7bをJえば、ドレイン−ソー
ス の# な(jをDることができます。
!±に、これらのフィジカルかつスケーラブルなモデルを7のアプリケーションシミュレーションにJしました。ブーストパワーステージを2qし、シミュレーションを7Lしてより多くのEFをUDしました。スイッチでの<=をインダクタ@コ
ンデンサの1]として!Hしました。また、! な

ブーストステージ@q(MOSFETとダイオード)を0するために、いくつかのú±×の<=もしました。
フィジカルかつスケーラブルなモデルは、コンポーネントのIを!Hし、アプリケーションのIを! "するで､²にmきなけとなります｡
789:[1] “A Physically Based Scalable SPICE Model for
Shielded−Gate Trench Power MOSFETs”
Proceedings of the 2016 28th International
Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD)[2] “A Physically Based Scalable SPICE Model for
Silicon Carbide Power MOSFETs”
Applied Power Electronics Conference (APEC) 2017[3] “Physically Based, Scalable SPICE Modeling
Methodologies for Modern Power Electronic Devices”
Technical note TND6260[4] “SPICE Modeling Tutorial”, Technical note TND6248[5] “How to use Physical and Scalable Models with
SIMetrix, OrCAD and LTspice” Application note
AND9783[6] “MOSFET Basics” Application note: AN−9010[7] “Characterizing the dynamic output capacitance of a
MOSFET”, EDN

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20

ANNEX: BOOST SCHEMATIC ZOOM
PwrDB

SW
PwrDiode{CBoost}I(Sns)*V(P,N)
OUT

CB{LBoost} IC=0
{RBoost}RB

I(sns)

iLB

p

LB

OUT

n

IN

Out

I(Sns)*V(P,N)
PwrDrain

DB FFSB0665A_4p

I(sns)
OUT
p
n

Tj

PwrTB

Tcase

{Vin}
Vin

TB−Tj
Tj

FCH040N65S3_F155_5p
TB{Rgate}

DB−Tj

Tcase

esrCout{RCout}

RGate

n

Case

p

PwrDrv

OUT{Ths}
VHeatSink

I(sns)
Drive

PwrDrv

PwrGateI(Sns)*V(P,N)

Per Cycle Mean(PwrDB)

Mean

IN

PwrDB

+

Per Cycle Mean(PwrTB)

Mean

TIMING
Clk

Drive

RD
1Meg

Cout
{Cout}
IC={Vout*1.01}

Per Cycle Mean(PwrDrv)
IN

Iout{Iout}

RT
1Meg

Gate

IN

PwrTB

TIMINGClk

PWM

TIMING
Clk

Comp
UPWM
SinglePWM

UDriveGate−Driver
DMin=0.05 DMax=0.8

PWM

UFeedBack
FeedBack−Type 3 ++

Comp

Comp
Meas

Duty
Clk

Zero=0 One=1 Tswr=10n+VMin=0 VMax={VDrv}+Idrv=2 Rdrv=100m

Ramp
Duty

Clk

Ramp

Figure 59. Boost Power stage Schematic

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21

Mean

Meas

Out

OUT

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