高精度SPICE模型能更准确地模拟功率器件的瞬态特性

分立功率器件专用SPICE模型所处的环境

近年来，信息通信设备以及工业设备不仅需要小型化和轻量化且功能更强大的高附加值产品，还需要节能型环保产品。电路以及安装在电路中的功率器件的性能与降低这些器件的能耗密切相关。通常情况下，在设计电路时实际上将元器件安装在电路板上，以评估电路特性，例如电源转换效率以及开关期间电压或电流的响应速度。然而，如果可以通过电路仿真在短时间内实现类似的高精度评估，则可通过减少样板数量和缩短开发周期来提高开发效率，从而有助于提高设备的性能。在此背景下，电路仿真器也被积极用于电路设计。

另一方面，在电力电子和汽车等车载领域，亟需基于对整个系统发出的噪声和整个系统的功耗进行的电路仿真，开展初步预测。因此，对于功率半导体专用SPICE模型的需求不断增长，该模型能预测高精度的电源转换效率、电磁干扰（EMI）噪声以及系统中安装的电路的其它因素。东芝电子元件及存储装置株式会社持续推动与分立功率器件兼容的SPICE模型的开发工作。除了强调计算速度而非精度的SPICE模型（G0模型）外，我们还开始提供更精准再现瞬态特性的高精度SPICE模型（G2模型）。

SPICE模型的类型

在对电路设计中使用的半导体元件的性能进行建模时，有多种表示方法。

  数学模型 查询表格模型 紧凑模型 宏模型
模型的特点 针对器件的所有电气特性利用拟合函数制定的模型。 可创建数据库的模型，数据库中包含专为测量值等目标数值数据创建的表格。 基于半导体的物理公式，具有通用型器件结构的半导体器件（如MOSFET和BJT）的建模方法。 通过整合多个紧致模型来匹配目标元素结构的模型。
优点

使用适当的数学公式可建立高精度的SPICE模型。

 测量数据按原样录入数据库中，因此可以制作精度非常高的模型。 由于每家EDA供应商的电路仿真器中均有内置的模型，因此用户可从内置于电路仿真器的紧凑模型中选择合适的模型进行电路设计工作。 遵循相关期器件的模型，即便是新结构的器件也能轻松的创建并开发模型。
缺点 可用于提高再现精度的数学公式往往十分复杂，从而导致收敛性和计算速度有所降低。 为预测开关期间的意外行为，需以足够精细的间隔获取所有工作点的数据，因此需要大量时间预先准备SPICE模型。 由于每个紧凑模型的开发方仅限于大学和研究机构等非营利组织，并且在开发方面存在限制，因此在未经过假设的元件结构中，电气特性的再现精度可能会有所降低。 为了提高电路参数的再现性，整个电路的节点数会因为复杂的模型配置而增加，因此会降低电路仿真的收敛性和计算速度。

※SPICE：以集成电路为重点的仿真程序
※MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管
※BJT：双极结型晶体管
※EDA：电子设计自动化

东芝高精度SPICE模型（G2模型）的特点

东芝的分立功率器件专用高精度SPICE模型（G2模型）是以宏模型格式创建的，因此G2模型可用一些非线性元件和连续任意函数来表示电气特性。其优点是尽可能地限制了宏模型的缺点（由于节点数量的增加，导致电路仿真的收敛性和计算速度下降）。G0模型的计算速度更快，适用于功能检查，而G1和G2模型通过改善寄生电容的电压相关特性，实现更接近实际测量结果的高精度开关仿真。此外，G2模型提高了ID-VDS曲线的高电流域特性的再现性。

SPICE模型等级 ID-VDS Crss-VDS Coss-VDS Ciss-VDS
G0
（RMS错误标准）		 ○
（15％或以下）		 ×
（不适用）		 ×
（不适用）		 ○
（不适用）
G1
（RMS错误标准）		 ○
（15％或以下）		 ○
（2％或以下）		 ○
（2％或以下）		 ○
（2％或以下）
G2
（RMS错误标准）		 ○
（5％或以下）		 ○
（2％或以下）		 ○
（2％或以下）		 ○
（2％或以下）

※RMS误差：RMS误差（均方根：平方根）用作建模依据。RMS误差并不能保证仿真误差。
※关于东芝SPICE模型等级的更多详情，请参阅应用说明。

点击此处查看应用说明（1.6MB）

高精度SPICE模型（G2机型）产品线

低压MOSFET （12V-300V）
通过优化沟槽场板工艺和单元结构，我们改进了每个击穿电压的导通电阻和电容特性等MOSFET性能指标，并创建了可提供紧凑型封装相的产品线。
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中高压MOSFET (400V-900V)
为了同时实现高击穿电压和低导通电阻，DTMOS系列采用了超级结（SJ）结构。 它还优化了单元结构，大大提高了MOSFET的开关速度等性能指标，并创建了可提供各种封装的产品线。
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