高压MOSFET与IGBT SPICE模型

飞兆工程师博客

只要时间足够，大部分工程师都能找到正确的方向。 作为工程师，您是否经常需要了解电路应用中每个组件的性能？ 是的。一般来说，来自半导体公司的模型能否反映真实的电路应用条件？ 嗯…不一定。 即使找到正确的方向，充分并迅速地了解供应商提供的仿真模型是否真实反映既定应用空间内的器件仍然是棘手的问题。

与竞争对手的模型不同，Fairchild的超级结MOSFET和IGBT SPICE模型基于一个物理可扩展模型，适用于整个技术平台，而非针对每个器件尺寸和型号分别建模的独立分立式模型库。模型直接跟踪布局和制程技术参数（图1）。可扩展参数允许采用CAD电路设计工具进行设计优化。对于给定应用，最佳设备无法在固定的、分立式设备尺寸或额定值数据库中找到。因此，设计人员常常束手束脚，不得已地采用次优器件。图2显示了一个模型跟踪超级结MOSFETS的挑战性缩放CRSS特性并在IGBT中传递特性的能力。

以前，SPICE级的功率MOSFET模型是以简单分立式子电路或性能模型为基础的。简单的子电路模型常常过于简单，不足以捕获所有器件性能，如IV（电流与电压）、 CV（电容与电压）、瞬态和热性能，且不包含任何器件结构关系和制程参数。电热性能模型改进了精度，但是，模型与物理设备结构和制程参数之间的关系仍不够明确。而且，众所周知，这种性能模型存在速度和聚合问题。这点非常关键，设计人员不希望模型在仿真中不能立即收敛或直接发生故障，仅仅是因为某些数字性溢出故障。




图1：超级结MOSFET (a)和IGBT (b)横截面，模型中包含嵌入式样品制程参数



图2：可从一个物理模型扩展(a) SuperFET CRSS(b) IGBT IC与VGE

Fairchild的新型HV SPICE模型不仅仅是匹配数据表。我们执行了广泛的设备和电路级别的特性分析来确保模型精度。例如，采用行业标准双脉冲测试电路来验证模型的精度，如图所示。通过实际电路工作条件下的设备操作来验证模型的电热精度（图4），而非仅仅提供数据表冷却曲线图。完整的电热仿真性能带电热启用符号（图5）允许系统级的电热优化。






图3：SuperFET双脉冲检验(a)简化原理图(b)导通(c)关断


图4：电热检验： ID与脉冲宽度


图5：电热IGBT符号

现在，新开发的物理可扩展SPICE模型集成了工艺技术，位于设计流程的最前沿。凭借SPICE模型，设计人员可先模拟产品性能再进行器件制造，这样就能缩短设计和制造周期，进而降低成本并加快产品上市时间。SPICE模型可配合新HV技术开发使用，以便制作虚拟产品原型。在成熟技术中，设计人员可对虚拟器件尺寸进行扩展以优化新开发的SPICE模型。