Силовая электроника №2'2005

Методика определения параметров PSPICE-моделей IGBT-транзисторов.

Игорь Недолужко
Алексей Лебедев


Имеющиеся в библиотеках программы PSPICE параметры встроенной модели IGBT-транзисторов недостаточно точно описывают справочные характеристики. Определение параметров встроенной модели при помощи программы PSPICE Model Editor также не дает удовлетворительных результатов. Поэтому используется известная составная модель IGBT-транзистора как комбинации МДП и биполярного p-n-p транзисторов. Цель данной статьи — более точное определение параметров этой модели по справочным характеристикам как при помощи универсальной математической системы MathCad, так и при помощи программы параметрической оптимизации PSPICE Optimizer.


В последних версиях программы схемотехнического моделирования PSPICE IGBT-транзистор представлен встроенной моделью [1]. В библиотеках системы PSPICE указываются параметры некоторых типов IGBT-транзисторов для этой модели, однако расчет по ней, как правило, дает большие погрешности [2]. Модель описывается следующими параметрами (на примере транзистора IRGBC30F, для которого представлены достаточно полные справочные данные, а его параметры имеются в стандартной библиотеке):

.MODEL IRGBC30F NIGBT (TAU=264.07E-9 KP=1.6985 AREA=60.000E-6 AGD=7.7500E-6 VT=4.7055 KF=1.9385 CGS=990.49E-12 COXD=3.7832E-9 VTD=-7.2340)

В справочниках приводятся: проходная характеристика Ic от Vge, характеристика насыщения Vce от Ic, зарядная характеристика Vg от Qg, а также времена переключения Tdp, Trs, Tdf, Tfl, энергия включения Eon и полная энергия Etotal для типовой схемы.

На рис. 1 приведены справочные и рассчитанные в PSPICE статические характеристики стандартной модели транзистора IRGBC30F с библиотечными параметрами.

Рис. 1. Статические характеристики IGBT-транзистора IRGBC30F (сплошной розовой пинией отображены справочные характеристики, синей прерывистой— расчетные характеристики встроенной модели с библиотечными параметрами, зеленой прерывистой—расчетные характеристики встроенной модели с параметрами из Model Editor)
Рис. 1. Статические характеристики IGBT-транзистора IRGBC30F (сплошной розовой пинией отображены справочные характеристики, синей прерывистой— расчетные характеристики встроенной модели с библиотечными параметрами, зеленой прерывистой—расчетные характеристики встроенной модели с параметрами из Model Editor)

Времена переключения и энергии измерялись в типовой схеме [3], изображенной на рис. 2. Результаты сопоставлены со справочными и сведены в таблице 1.

Рис. 2. Типовая схема включения IGBT-транзистора для расчета времен и энергий переключения
Рис. 2. Типовая схема включения IGBT-транзистора для расчета времен и энергий переключения
Таблица 1

Как видно из рис. 1 и таблицы 1, библиотечные параметры модели неплохо описывают статические характеристики, но дают очень большую (66%) относительную среднеквадратичную ошибку при расчете времен переключения и энергий.

Для самостоятельного получения параметров приборов в PSPICE применяется программа Model Editor. В ней параметры встроенной модели определяются по справочным характеристикам: проходной характеристике, характеристике насыщения, зарядной характеристике и времени заднего фронта тока Tfl.

Ниже приведены параметры транзистора IRGBC30F, определенные с помощью программы Model Editor:

.MODEL IRGBC30F_ME NIGBT (TAU=240.28E-9 KP=2.0430 AREA=15.500E-6 AGD=6.2000E-6 VT=5.2781 KF=1.0153 CGS=5.3323E-9 COXD=18.116E-9 VTD=-5)

Рассчитанные в PSPICE статические характеристики модели с параметрами из Model Editor приведены на рис. 1.

Результаты измерений времен переключений и энергий с этими параметрами также приведены в таблице 1. Относительная среднеквадратичная ошибка в этом случае немного меньше, но все равно достаточно велика (49%).

Как показывает опыт, подобная же ситуация возникает и с прочими IGBT-транзисторами, содержащимися в стандартной библиотеке.

Таким образом, показано, что имеющиеся параметры приборов и методика определения их параметров при проверке дает низкую точность.

Кроме того, имеющийся в стандартной библиотеке PSPICE набор транзисторов относительно невелик и на сегодняшний день уже устарел. Транзисторов новых поколений в нем нет.

Что делать, если мы хотим использовать при моделировании новые приборы? Модели новых приборов можно отыскать в Интернете на сайтах ведущих фирм-производителей. Однако насколько расчет по найденным таким образом моделям согласуется со справочными данными?

Возьмем для примера с сайта International Rectifier модель транзистора четвертого поколения IRG4PC50F. Текст модели здесь не приводится, так как он довольно объемный, эту модель, как и многие другие модели продукции IRF, можно скачать по адресу http://www.irf.com/ product-info/models/spice/spice.zip. Отметим, однако, что эта модель является не встроенной, а составной, состоящей из МДП и биполярного p-n-p транзисторов. Структура подобной модели подробнее рассмотрена ниже.

На рис. 3 приведены справочные и рассчитанные в PSPICE статические характеристики IRF-модели транзистора IRG4PC50F.

Времена переключения и энергии, измеренные в той же типовой схеме, сопоставлены со справочными данными и сведены в таблице 2.

Видно, что динамические свойства модели с сайта IRF плохо соотносятся со справочными данными. Относительная среднеквадратичная ошибка 77%.

Таким образом, видна плохая точность предлагаемых моделей при моделировании переключения IGBT-транзисторов.

Чтобы уменьшить ошибку при моделировании, предлагается использовать известную составную модель IGBT-транзистора [2], состоящую из МДП и биполярного p-n-p транзисторов — подобную той, что используется в модели с сайта IRF (рис. 4). Причем биполярный транзистор работает или в отсечке, или в активной области, а МДП-транзистор — и в отсечке, и в активной, и в насыщении.

Рис. 4. Составная модель IGBT-транзистора
Рис. 4. Составная модель IGBT-транзистора

Вообще говоря, такая модель описывается большим числом параметров, что позволяет более гибко настраивать ее характеристики.

Некоторые шаги в этом направлении уже были предприняты ранее [2], однако, как кажется авторам, исследования, опубликованные в этой статье, имеют ряд недостатков. К числу недостатков можно отнести: сопоставление только времен выключения — не учитывались прочие времена и энергии, а главное — отыскание параметров осуществлялось методом подбора.

Используемые параметры биполярного транзистора: Is, Nf, Bf, Vtf, Xtf, Tf. Прочие в списке параметров не указываются.

Параметры МДП-транзистора, используемые в модели: Kp, Vto. Прочие в списке параметров не указываются.

Также в качестве параметров задействованы сопротивления Ron, Rgg, индуктивность эмиттера Le, постоянная емкость Cge=Cgs и параметры нелинейных емкостей Cce и Cgc.

Проходная нелинейная емкость Crss = Cgc = = Cgd здесь записывается как источник тока, зависящий от потенциалов dd-gg следующим образом:

где C0, C1, V1, V2 — параметры нелинейной емкости. Нелинейную емкость Cgd можно задавать и иными способами, например табличным методом. Функция арктангенса была взята здесь только из-за ее плавности и возможности получать постоянное значение емкости при отрицательном напряжении (см. рис. 5).

Роль нелинейной емкости Cce здесь играет емкость диода, которая определяется параметрами Cjo, M, Vj.

Параметры составной модели предлагается определять в универсальной математической системе MathCad (МС) следующим образом:

Значение параметров емкостей IGBT-транзи-стора определяется из справочных зависимостей Crss, Ciss, Coss от напряжения и из зарядной характеристики. Емкость Cgs = Ciss - Crss считается постоянной Cgsa и примерно равной первому наклону зарядной характеристики.

Проходная емкость Crss, в основном определяемая емкостью МДП-транзистора Cgd, аппроксимируется с использованием плавной функции atan:

Следует заметить, что практически все IGBT-транзисторы имеют емкостные характеристики, которые трудно аппроксимировать плавными функциями, поэтому провести аппроксимацию по всем точкам справочной зависимости не удается. Однако это не столь существенно — важна верная аппроксимация максимального значения проходной емкости Cgdx при отрицательном напряжении.

Рис. 6. Расчетная и справочная зарядные характеристики транзистора IRG4PC50F
Рис. 6. Расчетная и справочная зарядные характеристики транзистора IRG4PC50F

Это максимальное значение Cgdx находится из второго наклона зарядной характеристики:

Емкость Cds = Coss - Crss не столь важна и аппроксимируется обычной степенной функцией, как для диода:

Чтобы определить параметры емкостей в МС, необходимо приравнять значения аппроксимации значениям справочных характеристик и воспользоваться блоком given-minerr. Начальные условия: M = 0.5, V = 1, Co = 1n, C1 = C0 = 0.1, V1 = V2 = 1.

Для транзистора IRG4PC50F значения этих параметров получились следующими: V1 = -0.637, V2 = 0.564, C0 = 4.039n, C1 = 2.57n, Cdso = 2.181n,   Vjds = 2.321,   Mds = 0.886, Cgs = 4.224n, Cgdx = 8.265n.

На следующем графике изображена зарядная характеристика, рассчитанная по емкостным параметрам и соотнесенная со справочной.

Статические параметры определяются в МС на основе кусочно-линейного анализа модели IGBT-транзистора [1]:

Два этих выражения описывают характеристику насыщения и проходную характеристику IGBT-транзистора. Beta = 0,5xKpxW/L, то есть при W = 2u, L = 1u Beta становится равной Kp.

Чтобы определить параметры Is, Nf, Ron, Bf, Beta, Vto в МС, необходимо приравнять значения аппроксимации значениям справочных характеристик и воспользоваться блоком given-minerr.

Начальные условия: Is = 10e -12, Nf = 1.5, Ron = 0.01, Bf = 2, Beta = 2.5, Vto = 5. Следует отметить, что ток МДП-транзистора составляет значительную долю от тока всей структуры, поэтому коэффициент усиления Bf не может быть большим и должен быть сравним с Beta.

Для транзистора IRG4PC50F значения параметров получаются следующие: Is = 3.42e-8, Beta = 1.914, Bf = 2.352, Ron = 0.018, Nf = 1.914, Vto =5.005.

Выключение IGBT происходит так: первым выключается МДП-транзистор, обрывая базу биполярному транзистору, и выключение всего IGBT определяется выключением p-n-p транзистора с оборванной базой. Заряд выводится из него путем рекомбинации, процесс происходит экспоненциально, с постоянной времени Tau. Этап спада Tfp заканчивается, когда ток достигает уровня 0.1 от максимального, откуда Tau:

где Tfp — справочное время спада тока.

Tf связано с Tau следующим образом: Tf = Tau/Bf. Внутреннее сопротивление затвора можно определить из справочной задержки включения, определяемой «полевой» частью IGBT-транзистора:

Здесь Tg — фронт импульса генератора. Начальные условия Rg = 10, Tg = 10ns.

Для транзистора IRG4PC50F значения параметров получаются следующие: Tf = 28.366ns, Rgg = 6.707.

На рис. 3 приведены рассчитанные в PSPICE статические характеристики составной модели с параметрами, определенными в МС. Заметно, что они совпадают лучше, чем характеристики модели с сайта IRF.

Времена переключения и энергии, измеренные в той же типовой схеме, для составной модели с параметрами, определенными в МС, приведены в таблице 2. Видно, что относительная среднеквадратичная ошибка почти вдвое меньше ошибки IRF-модели (30%).

Составная модель обладает большим, нежели было рассмотрено, числом параметров, что придает ей большую гибкость. Однако не все параметры можно определить в МС из-за чрезмерного усложнения аппроксимирующих выражений, которые необходимо записывать в аналитическом виде. Так, например, в МС очень трудно учесть влияние индуктивности, в то же время индуктивность эмиттера Le оказывает большое влияние на динамические процессы. Также большое влияние на динамику оказывают параметры динамического насыщения биполярного транзистора Vtf, Xtf, неучтенные при расчете в МС. Приведенные здесь формулы для расчета Tf и Rgg носят весьма приближенный характер. Кроме того, на динамику оказывает влияние соотношение между параметрами усиления транзисторов Kp и Bf. Если уточнить все вышеперечисленные параметры, то модель может быть настроена еще точнее. Как это сделать?

Подобную настройку можно осуществить при помощи программы параметрической оптимизации PSPICE Optimizer.

Вообще говоря, определение статических параметров Is, Nf, Bf, Ron, Kp, Vto по справочным характеристикам также можно осуществлять в этой программе по характеристике насыщения и проходной характеристике. Для этого указанные параметры внутри модели задаются варьируемыми, в одном проекте помещаются две модели транзистора, подключенные к одному варьируемому источнику напряжения. Для моделирования проходной характеристики источник напряжения является переменным напряжением на затворе, при этом снимается ток транзистора. Для моделирования характеристики насыщения источник напряжения, подключенный к коллектору транзистора через сопротивление, является переменным током коллектора, при этом снимается ток и напряжение коллектора.

В программе Optimizer задаются справочные характеристики Ic от Vge и Vce от Ic, а затем путем варьирования статических параметров снимаемые характеристики приближаются к справочным.

Подбор емкостных параметров при желании также можно осуществлять в этой программе.

Таблица 3

Однако особенно ценен Optimizer там, где сложно использовать МС — при уточнении параметров Tf, Vtf, Xtf, Bf, Rgg, Le по справочным временам задержек и переключения Tdon, Tr, Tdoff, Tf, а также энергии включения Eon и полной энергии Etotal. Для этого в другом проекте в модели транзистора указанные параметры задаются варьируемыми. Причем, поскольку произведение Bf хKp = 6.599, найденное в МС, определяет статические характеристики, уже верно  нами настроенные,  это  произведение меняться не может. Поэтому в модели МДП-транзистора нужно указать Kp = 6.599/{Bf} и менять только параметр Bf. Модель IGBT-транзи-стора помещается в режим, соответствующий справочному переключению (рис. 2). Снимается осциллограмма тока, по ней фиксируются расчетные значения времен переключения. Кроме того, в проект помещается источник напряжения, пропорциональный произведению тока транзистора и напряжения на нем и подключенный к интегратору, на выходе которого мы имеем напряжение, пропорциональное энергии. Это напряжение снимается при двух моментах времени: после включения транзистора (Eon) и в конце периода (Etotal).

В Optimizer при помощи целевых функций задаются четыре справочных значения времен и два значения энергии, и путем варьирования параметров модели из второй группы расчетные времена и энергии приближаются к справочным. В качестве начальных значений уточняемых параметров берутся параметры, определенные в МС.

Времена переключения и энергии с параметрами, уточненными в Optimizer, приведены в таблице 2. Как видно, относительную среднеквадратичную ошибку удалось уменьшить до 16%.

Таким образом, составная модель IGBT-тран-зистора, описанная здесь, является более гибкой, чем встроенная модель, в силу большего числа параметров (в статье использовались основные, но не все параметры модели) и может использоваться для моделирования новых типов современных IGBT-транзисторов. Предложенная здесь методика отыскания и уточнения параметров этой составной модели при помощи программ MathCad и Optimizer для моделирования IGBT-транзисторов позволяет получать более достоверные результаты, нежели те, что достигаются при использовании библиотечных параметров или параметров, доступных в Интернете.

Литература

  1. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: «Солон». 1999.
  2. Колпаков А. Моделирование транзисторов IGBT с помощью PSPICE // Компоненты и технологии. 2002. № 8.
  3. Catt J., Chokhawala R., Pelly B. Введение по применению модулей БТИЗ в корпусах 600В, ADD-A-PAK и INT-A-PAK. Силовые полупроводниковые приборы. Книга по применению International Rectifier. AN-988. Пер. с англ. под ред. Токарева В. В. Воронеж. 1995.
  4. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MATHCAD 7.0 в математике, физике и в Internet // М: «Нолидж». 1999.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_02_100.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо