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用于低压MOSFET(12V-300V)的高精度SPICE模型

结构和特点

如图1所示,我们的新一代低压MOSFET(12V-300V)在栅电极下方有一块沟槽场板(FP),通过增加漂移层的浓度来实现低漏源导通电阻。图2显示了东芝开发的FP-MOSFET专用SPICE模型的示意图。作为一款核心MOSFET模型,该模型在收敛性和计算速度方面都非常出色,并采用BSIM3v3模型;EDA供应商的大多数电路仿真器中都有BSIM3v3模型。图1所示的场板会产生额外的电容分量,同时会降低电解质浓度。为表示由于这种场板结构引起的电容特性的非线性度,在各端子之间构建了使用可选函数的非线性电容Cgs/Cgd/Cds

图1:FP-MOSFET的截面(外形图)
图1:FP-MOSFET的截面(外形图)
图2:FP-MOSFET SPICE模型示意图(外形图)
图2:FP-MOSFET SPICE模型示意图(外形图)

MOSFET拟合精度

图3通过将我们的FP-MOSFET产品TPH1R306PL的ID-VGS特性和ID-VDS特性的实际测量值与使用SPICE模型的仿真进行比较,显示了再现水平(称为“拟合精度”)。我们的FP-MOSFET专用SPICE模型与功率MOSFET中常见的ID-VGS特性的大电流区域内的饱和特性不匹配。另一方面,从图3(a)和(b)中可以看出,我们的SPICE模型具有更高的再现性,这主要体现在阈值电压(Vth)附近的再现性和漏源导通电阻的再现性(RDS (ON))以及ID-VDS特性中漏极电流ID的斜率等方面。

图3:使用TPH1R306PL的SPICE模型(G2模型)测量(符号)和仿真(实线)I-V特性的比较。(a)VDS=10V时的ID-VGS特性;(b)ID-VDS特性
图3:使用TPH1R306PL的SPICE模型(G2模型)测量(符号)和仿真(实线)I-V特性的比较。(a)VDS=10V时的ID-VGS特性;(b)ID-VDS特性

图4显示了VDS对输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)和反向传输电容(Crss)依赖性的实际测量与仿真的比较。沟槽场板结构通过减少栅极周围的电场集中以及增强栅极电容和VDS之间特性的非线性度来降低导通电阻。东芝的FP-MOSFET专用SPICE模型通过利用非线性电容结合Cgs、Cgd、Cds等多个任意函数,高精度地再现了实际测量的非线性栅极电容特性。

图4:使用TPH1R306PL的SPICE模型(G2模型)在VGS=0V时测量(符号)和仿真(实线)Ciss/Coss/Crss-VDS特性比较。
图4:使用TPH1R306PL的SPICE模型(G2模型)在VGS=0V时测量(符号)和仿真(实线)Ciss/Coss/Crss-VDS特性比较。

瞬态特性(电阻负载开关操作)拟合精度

图5显示了使用FP-MOSFET产品TPH1R306PL的电阻负载开关电路图。图6(a)和(b)分别显示了使用电阻负载开关电路的导通和关断特性的实际测量与仿真的比较。从图上可以看出,仿真波形可以高精度再现测量波形的导通和关断特性。

图5:电阻负载开关特性示意图
图5:电阻负载开关特性示意图
图6:使用电阻负载开关电路比较测量(虚线)和仿真(实线)开关波形:(a)导通波形;(b)关断波形
图6:使用电阻负载开关电路比较测量(虚线)和仿真(实线)开关波形:(a)导通波形;(b)关断波形

用于评估系统的高精度SPICE模型(G2模型)(300W隔离型DC-DC转换器)

通过使用实际的300W隔离型DC-DC转换器的参考设计和应用高精度SPICE模型(G2模型)的仿真电路,比较了电源转换效率和MOSFET的开关波形。图7显示了实际300W隔离型DC-DC转换器的外观以及仿真电路示意图。

图7:300W隔离型DC-DC转换器的实板及仿真电路示意图
图7:300W隔离型DC-DC转换器的实板及仿真电路示意图

图8显示了当TPN1200APL安装在DC-DC转换器电路的原边并且TPH2R408QM安装在副边时,实际测量和仿真之间负载电流对电源转换效率的依赖性的比较。从图上可以看出,测量和仿真的效率差异不超过2%。产生这种差异主要是因为此仿真电路未考虑的各种因素,例如控制器的损耗以及构成该电路的每个元器件的温度依赖性。

图9显示了关于300W隔离型DC-DC转换器的主要元器件的计算损耗的仿真结果。25A输出电流时,原边和副边的MOSFET总损耗约占全部损耗的43%(图9中原边和副边的小计损耗比例),该比值随着输出电流的减小而增大。

图8:取决于输出电流的测量和仿真电源转换效率比较。
图8:取决于输出电流的测量和仿真电源转换效率比较。
图9:使用仿真电路的300W隔离型DC-DC转换器主要器件的功率损耗
图9:使用仿真电路的300W隔离型DC-DC转换器主要器件的功率损耗

该结果表明,降低MOSFET的损耗对于提高DC-DC转换器的电源转换效率非常重要。为降低MOSFET损耗,必需详细分析原边和/或副边MOSFET开关过程中的损耗,并且SPICE模型的开关波形的再现性十分重要。
图10中是DC-DC转换器的副边同步整流器电路中使用的TPH2R408QM的实测与仿真开关波形比较。据此,仿真可以得到高精度反映电容特性非线性度的G2模型仿真的开关波形,这与实际测量密切相关,因此有望实现定量的MOSFET损耗分析。

(备注)高精度仿真电路专门用于损耗分析。

图10:副边同步整流器MOSFET的DC-DC转换器电路漏源电压(VDS)波形
图10:副边同步整流器MOSFET的DC-DC转换器电路漏源电压(VDS)波形

我们的高精度SPICE模型(G2模型)可以再现高精度的实际开关波形。在实际生产之前通过高精度仿真进行电路验证能显著减少电路修改的工作量,有助于缩短开发时间。东芝的高精度SPICE模型(G2模型)能有效地支持您的电路开发和分析工作。

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