3. IGBT のスパイスモデル
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Transcript 3. IGBT のスパイスモデル
SPICEを活用したEV・HEVシミュレーションセミナー
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
2.二次電池のスパイスモデル
2.1 リチウムイオン電池のスパイスモデル
2.2 ニッケル水素電池のスパイスモデル
2.3 鉛蓄電池のスパイスモデル
3.IGBTのスパイスモデル
4.全体シミュレーションの事例
5.質疑応答
2013年5月31日
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1
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2
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
出展：東芝セミコンダクター&ストレージ社
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3
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
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4
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
初代プリウス(1997-2003)
バッテリー
40セル
288V
3相インバータ
M
33kW
3相インバータ
M
50kW
3相インバータ
M
65kW
第二世代プリウス(2003-2011)
バッテリー
28セル
202V
昇圧回路
500V
第三世代プリウス(2011-)
バッテリー
28セル
202V
昇圧回路
650V
電気系パワートレインの構成図
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5
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Li-Ion, Ni-MH,Lead-Acid.etc
IGBT,SiC Device,etc
IGBT FWD,Diode
出展：東芝セミコンダクター&ストレージ社
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6
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Motenergy, Inc (ME0913)
Motor Electrical Parameters
•
Operating Voltage Range..........................0 – 72 VMAX
•
Rated Continuous Current........................140 Arms
•
Peak Stalled Current.................................400 Arms
•
Voltage Constant.......................................50 RPM/V
•
Phase Resistance (L-L).............................0.0125 Ω
•
Phase Inductance......................................105uH at 120Hz, 110uH at 1kHz
•
Maximum Continuous Power Rating……..17KW at 102VDC Battery Voltage
14.3KW at 84VDC Battery Voltage
12KW at 72VDC Battery Voltage
Motor Mechanical Parameters
•
Rated Speed.............................................3000 RPM
•
Maximum Speed.......................................5000 RPM
•
Rated Torque............................................288 Lb-in
•
Torque Constant.......................................1.6 Lb-in/A
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7
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
•
The Torque are defined by :
Tu KT Iu
Tv KT Iv
Tw KT Iw
Te Tu Tv Tw
(1)
(2)
motor
VAC : Operating voltage range (Maximum
At 140Arms (Rated Continuous Current)
voltage)
KT = 1.6 Lb-in/A
•
phe : u, v, w
Vphe : Phase voltage applied from inverter to
Tphe = 1.6 140 = 224Lb-in
VBAT : DC Voltage applied from battery
Te = 224*3= 672Lb-in
Iphe : Phase current
Tphe : Electric torque produced by u, v, w phase
The Back-EMF are defined by :
Eu K E m
Ev K E m
Ew K E m
Te : Electric torque produced by motor
(3)
KE : Back-EMF constant
KT : Torque constant
At 5000 RPM (Maximum Speed)
Ephe ≈ VBAT
(In an ideal motor, R and L are zero)
Ephe = 102V
Ephe : Phase Back-EMF
ωm : Angular speed of rotor
1 Pound Inch equals 0.11 Nm
KE = Ephe /ωm = 102 / 5000
KE ≈ 0.02V/RPM
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8
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Frequency Response
110uH
105uH
BEMF1
R1
L1
1
U
2
Phase Resistance (L-L)
Phase Inductance
BEMF2
R2
L2
1
V
2
N0
: 0.0125Ω
: 105uH
: 110uH
BEMF3
R3
W
L3
1
2
Fig.2 Phase-to-Ground
Fig. 1 Scheme of the 3-Phase Model
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9
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
The 3-Phase AC Motor Equivalent Circuit
E1
|Z| - Frequency
Vu
eu
+
-
TQSP 2
1
Vv
+
-
0
0
TQSP 2
IN+
IN-
emf _v
EMF_V
IN+
IN-
IN+
IN-
0
LOAD = 140
0
lim_v
OUT+
OUT-
0
OUT+
OUT-
PARAMETERS:
RLL = 0.0125
LL = 105U
KT = 1.6
KE = 0.02
OUT+
OUT-
ELIM_W
sp_v
tv
0
lim_w
OUT+
OUT-
0
Mechanical part
0
torque
ew
+
-
+
-
0
U3
TQSP 2
emf _w
1
IN+
IN-
PARAMETERS:
E3
n3
N0
+
-
emf _v
IL = {LOAD}
LM = {LL}
RM = {RLL*0.5}
KT0 = {KT}
ELIM_U
IN+
IN-
ELIM_V
0
1
Vw
OUT+
OUT-
E2
U2
IL = {LOAD}
LM = {LL}
RM = {RLL*0.5}
KT0 = {KT}
W
sp_u
tu
ev
n2
V
Back-EMF Voltage
EMF_U
emf _u
IL = {LOAD}
LM = {LL}
RM = {RLL*0.5}
KT0 = {KT}
emf _u
lim_u
0
U1
n1
U
+
-
sp_w
tw
ETQ
emf _w
IN+
INEMF_W
OUT+
OUT-
0
U4
AND3AMB
IN+
IN-
0
sp_u
sp_v
sp_w
OUT+
OUT-
0
speed
ESP
mul
IN+
IN-
0
OUT+
OUT-
0
Fig. 3 Three-Phase AC Motor Equivalent Circuit
•
•
This figure shows the equivalent circuit of AC motor model that includes the |Z|frequency part ,Back-EMF voltage part ,and Mechanical part.
The Back-EMF voltage is the voltage generated across the motor's terminals as the
windings move through the motor's magnetic field.
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1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Model Parameters:
Parameters Settings
U1
ME0913
1
2
3
M
LL = 105U
4
RLL = 0.0125
N0 KE = 0.02
KT = 1.6
LOAD = 140
LOAD : Load current each phase of motor [Arms]
– e.g. LL = 125Arms, 140Arms, or 400Arms
LL : Phase inductance [H]
– e.g. LL = 10mH, 100mH, or 1H
RLL : Phase resistance (Phase-to-phase) [Ω]
– e.g. RLL = 10mΩ, 100mΩ, or 1Ω
KE : Back-EMF constant [V/RPM]
– e.g. KE= 0.01, 0.05, or 0.1
Fig. 4 Symbol of 3-Phase Induction Motor
KT : Torque constant [Lb-in/A]
– e.g. KT= 0.1, 0.5, or 1
1 Pound Inch equals 0.11 Nm
•
From the 3-Phase Induction Motor specification, the model is characterized by setting parameters
LL, RLL, KE, KT and LOAD.
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11
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Simulation Circuit of 3-Phase AC Motor Model
S1
UP
+
-
D1
DMOD_01 VP
+
S3
+
-
-
0
+
D3
DMOD_01 WP
-
0
S5
+
-
+
D5
DMOD_01
-
0
U1
ME0913
N0
RU
U
1
RV
V
2
RW
W
3
M
4
V1
102V
N0
N0
RU, RV, RW: 173.75m
V2
102V
S2
UD
+
-
D2
DMOD_01 VD
+
S4
+
-
-
0
0
+
-
D4
DMOD_01 WD
S6
+
-
+
-
D6
DMOD_01
LL = 105U
RLL = 0.0125
KE = 0.02
KT = 1.6
LOAD = 140
0
0
•
WD
WD
WP
WP
VD
VD
VP
VP
UD
UD
UP
UP
Fig.5 Analysis of motor operation powered by
alternating voltage variation involves using the
model of three-phase induction motor.
U2
GDRV
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1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
500A
Phase Current Characteristics Under Load Variation
- Simulation Results
Load 50Arms
0A
-500A
0s
I(RU)/SQRT(2)
500A
500ms
Time
Load 140Arms
0A
-500A
0s
I(RU)/SQRT(2)
500A
500ms
Time
Load 200Arms
0A
-500A
0s
500ms
I(RU)/SQRT(2)
Time
Reference of Phase U
Fig. 6 Current Characteristics under load Condition
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13
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
200V
Back-EMF Characteristics Under Load Condition
- Simulation Results
Load 50Arms
100V
0V
-100V
-200V
0s
V(X_U1.EU)
200V
500ms
Time
100V
Load 140Arms
0V
-100V
-200V
0s
V(X_U1.EU)
200V
500ms
Time
Load 200Arms
100V
0V
-100V
-200V
0s
500ms
V(X_U1.EU)
Time
Reference of Phase U
Fig. 7 Back-EMF Characteristics under load Condition
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1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Speed and Torque Characteristics At 140Arms
- Simulation Results
4.0KV
The Load 140(Arms) is Rated Continuous Current
3.0KV
(464.146m,3.2311K)
RPM
2.0KV
1.0KV
SEL>>
0V
V(X_U1.speed)
1.0KV
Tphe: Electric torque produced by each phase
Lb-in
0.5KV
(446.486m,223.728)
0V
0s
500ms
V(X_U1.tu)
Time
Reference of Phase U
Fig. 8 Speed and Torque Characteristics at Load=140Arms
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15
1.全体シミュレーションの構成及びACモーターのスパイスモデル
Power Output and Efficiency Characteristics At 140Arms
- Simulation Results
20KW
At Load=140Arms, Power Output ≈ 13.7 [KW]
Watt
(960.616m,13.662K)
10KW
SEL>>
0W
RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))
100
At Load=140Arms, Efficiency ≈ 82 [%]
(962.500m,81.941)
[%]
50
0
0.5s
100*( (RMS(V(U,N0))*RMS(I(RU))) / (RMS(V(RU:1,N0))*RMS(I(RU))) )
Time
1.0s
Reference of Phase U
Fig. 9 Power Output and Efficiency Characteristics at Load=140Arms
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16
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
Parameter Settings
Model Parameters:
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.3, 1.4, or 2.8 [Ah]
+
-
U1
(Default values)
•
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 1
C = 1.4
SOC = 1
NS = 1
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells
battery (battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for
a full charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds into a second
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min into a second,
TSCALE=3600 turns 3600s or 1h into a second,
From the Li-Ion Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
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2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
Nominal Voltage
+
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
SOC = 1
C = 1.4
NS = 1
Battery capacity is
input as a model
parameter
3.7V
Nominal
Capacity
Typical
1400mAh (0.2C discharge)
Charging Voltage
4.20V±0.05V
Charging Std. Current
700mA
Charge
1400mA
Discharge
2800mA
Max Current
Discharge cut-off voltage
•
2.75V
The battery information refer to a battery part number LIR18500 of EEMB BATTERY.
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2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
Measurement
Simulation
1.0V
Capacity=100%
0.8V
0.6V
0.4V
0.2V
0V
V(X_U1.SOC)
1
+
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1.4
SOC = 0
NS = 1
4.4V
2
1.4A
4.2V
1.2A
4.0V
1.0A
3.8V
0.8A
3.6V
0.6A
3.4V
0.4A
3.2V
3.0V
SEL>>
0A
0s
1
SOC=0 means battery
start from 0% of
capacity (empty)
Voltage=4.20V
Current=700mA
V(HI)
50s
2
100s
I(IBATT)
Time
150s
200s
(minute)
• Charging Voltage: 4.20V±0.05V
• Charging Current: 700mA (0.5 Charge)
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2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
PARAMETERS:
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*1) - VF of D1
N=1
CAh = 1.4
rate = 0.5
D1
DMOD
Input Voltage
IN+
IN-
Vin
5V
OUT+
OUT-
HI
0
Voch
{(4.20*N)-8.2m}
C1
10n
IBATT
0
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
+
-
U1
•
•
•
0
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1.4
SOC = 0
1 minute in seconds
NS = {N}
*Analysis directives:
.TRAN 0 200 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
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20
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
•
Battery voltage vs. time are simulated at 0.2C, 0.5C, and 1C discharge rates.
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 1.4
4.4V
4.2V
sense
HI
4.0V
0
C1
10n
+
0
IN+
OUT+
INOUTG1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1.4
SOC = 1
NS = 1
0.2C
3.8V
3.6V
3.4V
0.5C
0
TSCALE turns 1 minute in seconds,
battery starts from 100% of capacity (fully charged)
3.2V
3.0V
1C
2.8V
*Analysis directives:
.TRAN 0 300 0 0.5
.STEP PARAM rate LIST 0.2,0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
2.6V
0s
Copyright (C) Bee Technologies 2013
100s
V(HI)
200s
Time
300s
400s
(minute)
21
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
PARAMETERS:
rate = 0.2
CAh = 1.4
sense
HI
0
C1
10n
IN+
OUT+
INOUTG1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
+
0
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1.4
SOC = 1
1 minute in seconds
NS = 1
0
•
•
•
*Analysis directives:
.TRAN 0 296.82 0 0.5
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright (C) Bee Technologies 2013
22
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
+
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 60
SOC = 1
C = 4.4
NS = 4
The number of cells in
series is input as a
model parameter
•
Li-ion needs 4 cells
to reach this
voltage level
Basic Specification
Output Voltage
DC 12.8~16.4V
Capacity of Approximately
4400mAh
Input Voltage
DC 20.5V
Charging Time
About 5 hours
The battery information refer to a battery part number PBT-BAT-0001 of BAYSUN Co., Ltd.
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23
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
The battery needs 5 hours to be fully charged
1.0V
Capacity=100%
0.8V
0.6V
0.4V
0.2V
SEL>>
0V
V(X_U1.SOC)
1
18V
2
2.4A
17V
2.0A
16V
1.6A
15V
1.2A
14V
0.8A
Voltage=16.8V
Current=880mA
13V
12V
>>
0A
0s
1
1s
V(HI) 2
2s
I(IBATT)
3s
4s
5s
6s
7s
8s
9s
10s
(hour)
Time
• Input Voltage: 20.5V
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
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24
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
PARAMETERS:
Over-Voltage Protector:
(Charging Voltage*4) - VF of D1
N=4
CAh = 4.4
rate = 0.2
D1
DMOD
Input Voltage
IN+
IN-
Vin
20.5V
OUT+
OUT-
HI
0
Voch
{(4.2*N)-8.2m}
C1
10n
IBATT
0
G1
Limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
0
+
-
U1
•
•
•
0
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 4.4
1 Hour in seconds
SOC = 0
NS = {N}
*Analysis directives:
.TRAN 0 10 0 0.05
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
Copyright (C) Bee Technologies 2013
25
2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
18V
17V
16.4V
16V
Output
voltage
range
12.8V
15V
0.5C
14V
13V
1C
12V
11V
10V
0s
0.4s
0.8s
1.2s
V(HI)
1.6s
2.0s
(hour)
Time
• Charging Voltage: 16.8V
• Charging Current: 880mA (0.2 Charge)
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2.1.リチウムイオン電池のシンプルモデル
Parametric sweep “rate”
PARAMETERS:
rate = 1
CAh = 4.4
sense
HI
0
C1
10n
IN+
OUT+
INOUTG1
limit(V(%IN+, %IN-)/0.1m, 0, rate*CAh )
+
0
-
U1
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 4.4
SOC = 1
1 Hour in seconds
NS = 4
0
•
•
•
•
*Analysis directives:
.TRAN 0 3 0 0.05
.STEP PARAM rate LIST 0.5,1
.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)
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27
2.2 ニッケル水素電池のシンプルモデル
Model Parameters:
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 0.3, 1.4, or 2.8 [Ah]
+
-
U1
(Default values)
•
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 1
C = 1350M
SOC = 1
NS = 1
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells battery
(battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for a full
charged battery (100%)
TSCALE turns TSCALE seconds(in the real world) into a
second(in simulation)
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min (in the real world)
into a second(in simulation), TSCALE=3600 turns 3600s
or 1h into a second.
From the Ni-Mh Battery specification, the model is characterized by setting parameters
C, NS, SOC and TSCALE.
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28
2.2 ニッケル水素電池のシンプルモデル
Nominal Voltage
+
-
U1
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 1
SOC = 1
C = 1350M
NS = 1
Battery capacity
[Typ.] is input as a
model parameter
•
1.2V
Typical
1350mAh
Minimum
1250mAh
Capacity
Charging Current Time
1350mA about 1.1h
Discharge cut-off voltage
1.0V
The battery information refer to a battery part number HF-A1U of SANYO.
Copyright (C) Bee Technologies 2013
29
2.2 ニッケル水素電池のシンプルモデル
Measurement
Simulation
1.8V
1.7V
1.6V
1.5V
Charge: 1350mA
1.4V
1.3V
1.2V
1.1V
1.0V
0s
10s
V(HI)
20s
30s
40s
50s
60s
70s
80s
(min.)
Time
+
-
U1
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1350M
SOC=0 means battery
SOC = 0
start from 0% of
NS = 1
• Charging Current: 1350mA about 1.1h
capacity (empty)
Copyright (C) Bee Technologies 2013
30
2.2 ニッケル水素電池のシンプルモデル
Measurement
Simulation
1.6
0.2C (270mA)
1.0C (1350mA)
2.0C (2700mA)
1.5
Cell Voltage [V]
1.4
1.3
1.2
270mA
1.1
1350mA
2700mA
1.0
0.9
0
250
500
750
1000
1250
1500
Discharge Capacity [mAh]
Simulation
+
-
U1
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 60
C = 1350M
SOC = 1
NS = 1
• Nominal Voltage: 1.2V
• Capacity: 1350mAh
• Discharge cut-off voltage: 1.0V
Actual Capacity
(% of Rated Capacity)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
Mesurement
0.2
Simulation
0.0
0
Copyright (C) Bee Technologies 2013
1
2
3
4
5
Discharge Rate (Multiples of C)
31
2.3 鉛蓄電池のシンプルモデル
Model Parameters:
C is the amp-hour battery capacity [Ah]
– e.g. C = 1, 50, or 100 [Ah]
NS is the number of cells in series
– e.g. NS=1 for 1 cell battery, NS=2 for 2 cells battery
(battery voltage is double from 1 cell)
SOC is the initial state of charge in percent
– e.g. SOC=0 for a empty battery (0%), SOC=1 for a full
charged battery (100%)
(Default values)
•
TSCALE turns TSCALE seconds(in the real world) into a
second(in simulation)
– e.g. TSCALE=60 turns 60s or 1min (in the real world)
into a second(in simulation), TSCALE=3600 turns 3600s
or 1h into a second.
From the Lead-Acid Battery specification, the model is characterized by setting
parameters C, NS, SOC and TSCALE.
Copyright (C) Bee Technologies 2013
32
2.3 鉛蓄電池のシンプルモデル
Battery capacity
[Typ.] is input as a
model parameter
•
Nominal Voltage
2.0 [Vdc] /Cell
Capacity
50Ah
Rated Charge
0.1C10A
Voltage Set
2.23 [Vdc] /Cell
Charging Time
24 [hours] @ 0.1C10A
The battery information refer to a battery part number MSE Series of GS YUASA.
Copyright (C) Bee Technologies 2013
33
2.3 鉛蓄電池のシンプルモデル
Measurement
Simulation
Voltage: 2.23V
Current: 5A (0.1C10A)
(hour)
• Charging Time: 24 [hours] @ 0.1C10A
SOC=0 means battery
start from 0% of
capacity (empty)
Copyright (C) Bee Technologies 2013
34
2.3 鉛蓄電池のシンプルモデル
Measurement
Simulation
0.1C10A
0.23C10A
0.65C10A
1.0C10A
(hour)
SOC=1 means battery
start from 100% of
capacity
Copyright (C) Bee Technologies 2013
35
3. IGBTのスパイスモデル
1.IGBTのスパイスモデル
1.1 ヘフナモデル(パラメータモデル)
1.2 MOSFET+BJTモデル
1.3 Simplorer独自パラメータモデル
Copyright (C) Bee Technologies2013
36
3. IGBTのスパイスモデル
SPICEの世界
PSpice
IGBT
Model
PSpice
IGBT
Model
+
等価回路
MOSFET
+
BJT
Simplorerの世界
Simplorer独自モデル
Copyright (C) Bee Technologies2013
37
3. IGBTのスパイスモデル
IGBT PSpice Model (ヘフナモデル) 等価回路図
G
E(S)
dQgs / dt
dQdg / dt
I mos
dQ ds / dt
Imult
b(d)
dQ mult / dt
I css
I bss
dQ cer / dt
dQ eb / dt
e
5個のDC電流コンポーネントと
6個の容量性電荷コンポーネント
の構成です。
IT
C
Copyright (C) Bee Technologies2013
38
3. IGBTのスパイスモデル
IGBT PSpice Model (ヘフナモデル) パラメータ
パラメータ
説明
単位
デフォルト値
AGD
ゲート・ドレイン重なり面
m^2
5E-6
AREA
デバイス面積
m^2
1E-5
BVF
電子アバランシュ均一係数
N/A
1
BVN
電子アバランシュ増倍の指数部
N/A
4
CGS
単位面積当たりのゲート・ソース間容量
F/cm^2
1.24E-8
COXD
単位面積当たりのゲート・ドレイン間酸化膜容量
F/cm^2
3.5E-8
JSNE
エミッタ飽和電流密度
A/cm^2
6.5E-13
KF
3極管領域係数
N/A
1
KP
MOSトランスコンダクタンス
A/V^2
0.38
MUN
電子移動度
cm^2/(V・S)
1.5E3
MUP
正孔移動度
cm^2/(V・S)
4.5E2
NB
ベース ドーピング
1/cm^3
2E14
TAU
アンビポーラ再結合寿命
s
7.1E-6
THETA
遷移電解係数
1/V
0.02
VT
しきい値
V
4.7
VTD
ゲート・ドレイン重なり空乏しきい値
V
1E-3
WB
金属ベース幅
m
9E-5
Copyright (C) Bee Technologies2013
39
3. IGBTのスパイスモデル
Saturation Characteristics(飽和特性)
測定データ
シミュレーション結果
上記はPSpice Model Editorの画面
Copyright (C) Bee Technologies2013
40
3. IGBTのスパイスモデル
飽和特性を補正する事で、精度良くPSpice Modelを活用する事が出来ます
Copyright (C) Bee Technologies2013
41
3. IGBTのスパイスモデル
MOSFET+BJT型モデル
Copyright (C) Bee Technologies2013
42
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
長所
温度モデルを考慮したときの対策が可能(RC成分が抽出できる。ただし、
実測データからの合わせこみが必要である)である。
SPICEによるデバイス方程式がMOSとBJTなので、電気特性において
影響するパラメータが想定できるし、補正は必要な特性はABMモデルの
組み込みにより対応が容易である。
短所
BJTとMOSFETの双方の特性による因果関係から、パラメータの合わせ
こみが必要であり、高度なモデリング技術を必要とする。
→PSpice AAO(最適化ツール)を活用する。
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
43
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
G01
R12 10Meg
S2
S
C Collector
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1m
+
-
S1
S
-
+
CGD_MAX
4.30E-9
RC
29.7415m
+
-
IS = 2.51e-16
NF = 1.21 94
BF = 4.88 32
CJE = 6.10n
TF = 17n
XT B = 1.3
L = 1e -6
W = 1e-6
KP = 630.2292m
VT O = 5.0035
THET A = 4.8432m
VMAX = 1.84 69Meg
+
-
PARAMETERS:
DB E
DE
D3 DGD
85
G02
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e9
RON = 1m
DDS
M3 DO
MFIN0 3
RG
Gate G
82
5
QOUT 03
Q3
81
R11
10Meg
CGE
2.05n
RE
83
LE
73 1
17.5m
Emitter
2 E
7.50n
IGBTモデルの等価回路図 (Bee Technologies Model)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
44
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
1. Ic-Vge characteristicにおけるパラメータの最適化
IGBTのgfeに関する特性は飽和領域において次のように表される。
g fe
1
1 PNP
ns COX Z
LCH
VGE VTH
μns: Surface mobility of electrons
Z: Channel width
LCH: Channel length
VTH: Threshold voltage
VGE: Applied gate voltage
COX: Gate-oxide cap. Per unit area
αPNP: Current gain of the pnp transistor
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
45
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
PSpice AAO
MOSFETとBJTで前ページの方程式に関係するパラメータをPSpice AAO
にて最適化する。(この例では、活性領域におけるコレクタ電流を決定する
RCとその他のパラメータも一緒に最適化しているが、特性に関係しない
パラメータは最適化を行っても変化が無い。
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
46
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
最適化されたパラメータ
.MODEL MFIN03 NMOS (L=1e-6 W=1e-6 LEVEL = 3 VMAX=1.8469Meg
+ THETA=4.832m VTO=5.0035 KP=630.2992m)
.MODEL QOUT03 PNP (IS=2.51e-016 NF=1.2194 BF=4.8832 CJE=6.10n
+TF=17.0n XTB=1.3)
MOSFETのETAはゲートチャージのシミュレーションにおいて誤差を与える
ため、削除した。
但し、コレクタ電流が小さい領域では誤差が大きくなる。これはMOSFETのモデル
自体が小信号領域に対応していない為であり、別途補正回路が必要になる。
(大信号領域で合わせ込みを行った場合、問題となる)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
47
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
2. パラメータ補正後での、その他特性を実測と比較
Ic-Vce(あるゲート電圧での)と出力特性(Vge-Vce、Ic-Vce)のシミュレーション
を行い、実測あるいはデータシート記載値と比較し、誤差が大きいようであれば、
再度必要なパラメータを最適化する。
3. ゲートチャージ特性(ゲート-ドレイン間容量特性)の補正
Cgdの特性はVdgが正、負の値によってそれぞれ変化する。このため、
実測とシミュレーションで誤差を生じる。よってG-D間に補正回路を付け加える。
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
48
3. IGBTのスパイスモデル
BJT+MOSFETのサブサーキット構成を用いる方式
ゲートチャージ特性でOFF期間～スイッチング期間を終了する期間までが
Vdg>0の期間のときで、Cgd-Vdg特性のカーブになっている領域である。
スイッチング期間終了時～オン期間に入るとVdg<0となり、そのとき
Cgdは一定値となる。ここで、Cgd-Vdg特性を表現するため、Vdg>0のとき、
曲線部分、Vdg<0のとき、同図の一定容量成分Cgdmaxの値にし、
Vdg=0V時のCgdmaxとCJOの値を一致させた特性に置き換える。
Off Period Switching On Period
Period
Vds
Vgs
200V
Simulation
12V
Cgd
Use Cgdmax(const.)
Use DGD Parameter
CJO=Cgdmax, M,VJ
Measurement
0
Qg
VDG>0
VDG<0
0
Vdg
Fig2-6 Relation of Gate on Charge Characteristic and CGD
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
49
3. IGBTのスパイスモデル
スイッチングタイムに関するパラメータの最適化
スイッチングタイムにはBJTのTF、BF、ゲート抵抗RGで調整可能であるが、
BFは最適化済なので、残り2つのパラメータで調整した。但し、この2つの
パラメータだけではtrの合わせ込みが不可能だったので、ベース抵抗RBを
挿入して合わせ込みを行った。RBを挿入することで、スイッチング時の
シミュレーション収束エラーも抑えることができる。
V_IC
+
G01
R12 10Meg
Collector
C
S2
S
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e 9
RON = 1u
-
+
100
RL
42.8
85
RB
DDS
M3 DO
MFIN0 3
RG
82
5
QOUT 03
Q3
81
R11
10Meg
G
VG
DB E
DE
D3 DGD
G02
VON = 0mV
VOFF = -20mV
ROFF = 10e 9
RON = 1u
RGate
V1 = -15
V2 = 15
TD = 0
TR = 10n
TF = 10n
PW = 5u
PE R = 20 u
0Vd c
RC
29.7415m
+
-
S1
S
-
CGD_MAX
4.30E-9
IS = 2.51e-16
NF = 1.21 94
BF = 4.88 32
CJE = 6.10n
TF = 21.3 n
XT B = 1.3
L = 1e -6
W = 1e-6
KP = 630.2292m
VT O = 5.0035
THET A = 4.8432m
VMAX = 1.8 469Meg
+
-
PARAMETERS:
CGE
2.05n
IC = 0
0.7
VD
600V dc
RE
83
LE
73 1
17.5m
7.50n
Emitter R3
E
2
0.1u
0
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
50
3. IGBTのスパイスモデル
FWD(SPICEの世界)
http://beetech-icyk.blogspot.com/2010/11/blog-post_22.html
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
51
3. IGBTのスパイスモデル
FWD
ダイオードに流れる電流
i
VL
Lの両端の電圧
リカバリー現象の領域
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
52
3. IGBTのスパイスモデル
FWD
ダイオードに流れる電流
i
di
VL L
dt
VL
Lの両端の電圧
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
53
3. IGBTのスパイスモデル
FWD
逆回復時間の定義(IFIR法)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
54
3. IGBTのスパイスモデル
FWD IFIR法の世界
パラメータ・モデル
=スタンダードモデル
ビヘイビア・モデル=等価回路モデル
=プロフェッショナルモデル
Measurement
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
Measurement
55
3. IGBTのスパイスモデル
FWD 電流減少率didt法の世界
ハード・リカバリー、ソフトリカバリーも表現出来る
黄色線⇒ハード・リカバリー
赤線⇒ソフト・リカバリー
電流減少率didtモデル(=スペシャルモデルを採用)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
56
3. IGBTのスパイスモデル
Simplorer独自パラメータモデル
再現性のある電気的特性
【IGBT】
伝達特性
飽和特性
スイッチング特性
出力特性
【FWD】
I-V特性
逆回復特性← Simplorerの大きな特徴
Simplorerの特徴
収束性問題が発生しない。
最新バージョンでは、PSpiceモデルが全て使用出来る(ABM含む)。
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
57
3. IGBTのスパイスモデル
Simplorer独自パラメータモデル
電流減少率法でのtrr値
Simplorerの場合、モデルパラメータのみで表現出来る
そして、L負荷、インバータ回路のシミュレーションの
収束性も良くリアルタイムにシミュレーション出来る。
SPICEの場合、等価回路にてモデル化する
→非常に複雑な等価回路モデルの為、L負荷等では、
非常に収束性が悪くなる。.OPTION等で回避をする
が非常に困難である。
SPICEの弱点(逆回復特性)
ダイオードのモデルパラメータ：TT
測定方法がIFIR法でのtrr値
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
58
3. IGBTのスパイスモデル
Simplorer独自パラメータモデル: IGBT本体
伝達特性
飽和特性
出力特性
スイッチング特性
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
59
3. IGBTのスパイスモデル
Simplorer独自パラメータモデル: FWD
Qrr
逆回復特性
650.00
IV特性
順方向
500.00
FWD1.I [A]
400.00
300.00
200.00
FWD...
100.00
0
-100.00
-250.00
2.9000m 2.9015m 2.9025m 2.9035m 2.9050m
t
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
60
3. IGBTのスパイスモデル
誘導負荷回路シミュレーション
IGBT+FWD
富士電機
1MBH50-060
600V50A
SiC SBD
ZERO RECOVERY
RECTIFIER
Cree
CSD20060D
600V20A
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
61
3. IGBTのスパイスモデル
誘導負荷回路シミュレーション(損失計算の方法)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
62
3. IGBTのスパイスモデル
LTspice(ファイルの移動)
Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2010
63
3. IGBTのスパイスモデル
2,000-3,000円でスパイスモデルをご提供しています。
スパイスモデル+回路図シンボルデータ+デバイスモデリングレポート
Copyright (C) Bee Technologies2013
64
4.全体シミュレーションの事例
Lithium Ion Battery
Simulation Circuit and Setting
VBATT
- Lithium Ion Battery
HI
D1
D2MBI1400VXB-120P-50 VP
E1
+
-
UP
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 25
U7
+
-
+
-
E
U3
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
E
2
0
D3
D2MBI1400VXB-120P-50 WP
E3
+
-
U5
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
+
-
E
2
0
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
E5
2
0
U
SOC : 100%
V
V+
V-
NO
-
LI-ION_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 25
U8
+
-
+
-
E
1
V+
RV
173.75m
2
W
V+
RW
173.75m
3
M
N0
V-
NO
2
D4
D2MBI1400VXB-120P-50 WD
E4
+
E
0
U6
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
2
E6
+
E
0
U9
AC_MOTOR
D6
D2MBI1400VXB-120P-50
+
-
2
LL = 105U
RLL = 0.0125
KE = 0.02
KT = 1.6
LOAD = 100
WD
WD
WP
WP
VD
VD
VP
VP
UD
UP
173.75m
NS =25
0
UD
U4
2MBI1400VXB-120P-50
D2
D2MBI1400VXB-120P-50 VD
E2
UD
0
UP
RU
V+
U2
2MBI1400VXB-120P-50
+
VUN
4
U1
2MBI1400VXB-120P-50
V
ILOAD=100Arms
U10
GDRV
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
65
V-
4.全体シミュレーションの事例
Lithium Ion Battery
Simulation Result
SOC
SPEED
VUN
VBATT
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
66
4.全体シミュレーションの事例
Ni-MH Battery
Simulation Circuit and Setting
SOC : 100%
HI
D1
D2MBI1400VXB-120P-50 VP
E1
+
-
UP
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 85
U7
+
-
+
-
E
U3
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
E
2
0
D3
D2MBI1400VXB-120P-50 WP
E3
+
-
U5
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
+
-
E
2
0
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
E5
2
0
U
Adding a capacitor (C1)
of noise reduced
C1
315u
V
V+
W
RU
173.75m
1
RV
173.75m
2
RW
173.75m
3
I
M
4
U1
2MBI1400VXB-120P-50
V
N0
NO
NO
U2
2MBI1400VXB-120P-50
-
U8
NI-MH_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 85
+
-
+
-
E
VD
WP
E
0
+
-
2
E6
+
E
0
U9
AC_MOTOR
D6
D2MBI1400VXB-120P-50
+
-
2
LL = 105u
RLL = 0.0125
KE = 0.02
KT = 1.6
LOAD = 100
WD
WD
VP
WP
UD
VD
UP
UP
2
D4
D2MBI1400VXB-120P-50 WD
E4
+
-
U6
2MBI1400VXB-120P-50
NS =85
VP
0
D2
D2MBI1400VXB-120P-50 VD
E2
UD
0
UD
+
U4
2MBI1400VXB-120P-50
ILOAD=100Arms
U10
GDRV
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
67
V-
4.全体シミュレーションの事例
Ni-MH Battery
Simulation Result
SOC
SPEED
VUN
VBATT
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
68
4.全体シミュレーションの事例
Lead-Acid Battery
Simulation Circuit and Setting
SOC : 100%
V1
HI
U1
2MBI1400VXB-120P-50
0Vdc I
D1
D2MBI1400VXB-120P-50 VP
E1
+
-
UP
I I
U7
+
-
+
-
E
LEAD-ACID_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 50
U3
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
E
2
0
D3
D2MBI1400VXB-120P-50 WP
E3
+
-
U5
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
+
-
E
2
0
D5
D2MBI1400VXB-120P-50
E5
2
0
U
Adding a capacitor (C1)
of noise reduced
C1
345u
V
W
RU
173.75m
1
RV
173.75m
2
173.75m
3
RW
V+
I
M
4
V
N0
V-
NO
NO
U2
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
+
-
E
U4
2MBI1400VXB-120P-50
D2
D2MBI1400VXB-120P-50 VD
E2
UD
0
2
D4
D2MBI1400VXB-120P-50 WD
E4
+
E
0
U6
2MBI1400VXB-120P-50
+
-
2
E6
+
E
0
U9
AC_MOTOR
D6
D2MBI1400VXB-120P-50
+
-
2
LL = 105u
RLL = 0.0125
KE = 0.02
KT = 1.6
LOAD = 100.
NS =50
VP
VD
WP
WD
WD
UD
WP
UP
VD
0
VP
U8
UD
-
UP
+
LEAD-ACID_BATTERY
TSCALE = 3600
C = 50
SOC = 1
NS = 50
ILOAD=100Arms
U10
GDRV
All Rights Reserved Copyright (C) Bee
Technologies Corporation 2013
69
4.全体シミュレーションの事例
Lead-Acid Battery
Simulation Result
SOC
SPEED
VUN
VBATT
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Technologies Corporation 2013
70
質疑応答
Copyright (C) Bee Technologies2013
71