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2015年5月号トランジスタ技術　GaN FETのモデリングとシミュレーション

Tsuyoshi Horigome
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2015年5月号トランジスタ技術　GaN FETのモデリングとシミュレーション

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ゲート電圧［V］ ドレイン電流［A］ 0 素子構造を工夫することで ノーマリ?オフになる 従来のGaN FET ノーマリ? オフ 図1?ノーマリ?オンとノーマリ?オフの動作 ノーマリ?オンはゲート電圧が0 Vでもドレイン電流が流れる．ノーマ リ?オフはゲート電圧が0 Vのときには電流は流れない 1752015年5月号 ● LTspiceで次世代のパワー?デバイスGaN FETモ デルを作成/損失解析する ?次世代デバイスとして期待されているGaN FETは， 小型化，高耐圧化，高速スイッチングという大きな特 徴があります．特にパワーエレクトロニクスにおいて， 省エネルギに必要な低損失化を実現できる次世代半導 体として注目されています． ?GaNはガリウムと窒素の化合物であり，物理的に は低導通抵抗と高絶縁耐圧の特徴があります． ?GaNは理論的にシリコン?デバイスの3けた低いオ ン抵抗が実現できるといわれています．実用化されれ ば，導通損失を無視できます．高効率，低損失である GaNデバイスは，高電流低電圧化が進んでいるサー バの電源回路，自然エネルギ?システム/HEV/EVの インバータ回路へのアプリケーションに応用が期待さ れ，さまざまな研究が行われています． ?本稿ではLTspiceとGaN FETモデルを使って，ス イッチング特性とオン抵抗に影響するSPICEパラメ ータのチューニングと損失解析方法を解説します． ?電源やインバータ回路の損失解析を実行するときに， どのくらいのオン抵抗のデバイスが低損失化を実現す るかなどを事前検証できるようになります． GaN FETのSPICEモデル ● ノーマリ?オフ型はメーカで提供されているディ スクリートMOSFETと同じモデルを使える ?図1にGaN FETのノーマリ?オンとノーマリ?オ フ動作を示します．従来のGaN FETはノーマリ?オ ンなので，独自の等価回路モデルを開発する必要があ ります．これをドライブ回路で取り扱うのは難しく， 各社は内部の素子構造を工夫して，ノーマリ?オフの 特性で提供しています． ?ノーマリ?オフ型のときは，ディスクリートの MOSFETのSPICEモデルとして，多くの半導体メー カ の Web サ イ ト な ど で 提 供 さ れ て い る MOSFET LEVEL＝3のモデルを簡易モデルとして，使えます． ? 今 回， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 使 う 40 V/33 A の EPC2015（EPC社）は，ノーマリ?オフ型です．高速 スイッチング動作をするため，LEVEL＝3の弱点で あるミラー容量が固定値である現象も，ほとんど影響 ありません．等価回路を付けることなく，LEVEL＝ 3をそのまま使えます．ゲート?チャージ特性におい て，ミラー容量を可変値にするときは，等価回路を加 える必要があります（本誌2015年3月号，pp.155?158 を参照して下さい）． ● 作成したモデルのネットリスト ?MOSFET LEVEL＝3のモデル?パラメータの最適 化は，（1）I ?V 特性，（2）C ?V 特性，（3）ゲート?チャ ージ特性，（4）スイッチング特性の順番に行いました． モデルの作り方は文献（3）などを参考にしてください． ?作成したEPC2015のSPICEモデルのネットリスト をリスト1に示します． スイッチング特性とオン抵抗に影響する パラメータのチューニングと損失解析方法 ●［STEP1］ターン?オン特性に効くモデル?パラ メータRG ?GaN FETのデータシートには，スイッチング特性 秋葉原でも扱いが始まった！ 米国EPC社製をリアル?モデリング パソコンでお試し！ 超高速?超高効率GaN FETの SPICEシミュレーション 堀米 毅 Tsuyoshi Horigome もう 待ちきれ ない…

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2015年5月号トランジスタ技術　GaN FETのモデリングとシミュレーション

  • 1. ゲート電圧［V］ ドレイン電流［A］ 0 素子構造を工夫することで ノーマリ?オフになる 従来のGaN FET ノーマリ? オフ 図1?ノーマリ?オンとノーマリ?オフの動作 ノーマリ?オンはゲート電圧が0 Vでもドレイン電流が流れる．ノーマ リ?オフはゲート電圧が0 Vのときには電流は流れない 1752015年5月号 ● LTspiceで次世代のパワー?デバイスGaN FETモ デルを作成/損失解析する ?次世代デバイスとして期待されているGaN FETは， 小型化，高耐圧化，高速スイッチングという大きな特 徴があります．特にパワーエレクトロニクスにおいて， 省エネルギに必要な低損失化を実現できる次世代半導 体として注目されています． ?GaNはガリウムと窒素の化合物であり，物理的に は低導通抵抗と高絶縁耐圧の特徴があります． ?GaNは理論的にシリコン?デバイスの3けた低いオ ン抵抗が実現できるといわれています．実用化されれ ば，導通損失を無視できます．高効率，低損失である GaNデバイスは，高電流低電圧化が進んでいるサー バの電源回路，自然エネルギ?システム/HEV/EVの インバータ回路へのアプリケーションに応用が期待さ れ，さまざまな研究が行われています． ?本稿ではLTspiceとGaN FETモデルを使って，ス イッチング特性とオン抵抗に影響するSPICEパラメ ータのチューニングと損失解析方法を解説します． ?電源やインバータ回路の損失解析を実行するときに， どのくらいのオン抵抗のデバイスが低損失化を実現す るかなどを事前検証できるようになります． GaN FETのSPICEモデル ● ノーマリ?オフ型はメーカで提供されているディ スクリートMOSFETと同じモデルを使える ?図1にGaN FETのノーマリ?オンとノーマリ?オ フ動作を示します．従来のGaN FETはノーマリ?オ ンなので，独自の等価回路モデルを開発する必要があ ります．これをドライブ回路で取り扱うのは難しく， 各社は内部の素子構造を工夫して，ノーマリ?オフの 特性で提供しています． ?ノーマリ?オフ型のときは，ディスクリートの MOSFETのSPICEモデルとして，多くの半導体メー カ の Web サ イ ト な ど で 提 供 さ れ て い る MOSFET LEVEL＝3のモデルを簡易モデルとして，使えます． ? 今 回， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 使 う 40 V/33 A の EPC2015（EPC社）は，ノーマリ?オフ型です．高速 スイッチング動作をするため，LEVEL＝3の弱点で あるミラー容量が固定値である現象も，ほとんど影響 ありません．等価回路を付けることなく，LEVEL＝ 3をそのまま使えます．ゲート?チャージ特性におい て，ミラー容量を可変値にするときは，等価回路を加 える必要があります（本誌2015年3月号，pp.155?158 を参照して下さい）． ● 作成したモデルのネットリスト ?MOSFET LEVEL＝3のモデル?パラメータの最適 化は，（1）I ?V 特性，（2）C ?V 特性，（3）ゲート?チャ ージ特性，（4）スイッチング特性の順番に行いました． モデルの作り方は文献（3）などを参考にしてください． ?作成したEPC2015のSPICEモデルのネットリスト をリスト1に示します． スイッチング特性とオン抵抗に影響する パラメータのチューニングと損失解析方法 ●［STEP1］ターン?オン特性に効くモデル?パラ メータRG ?GaN FETのデータシートには，スイッチング特性 秋葉原でも扱いが始まった！ 米国EPC社製をリアル?モデリング パソコンでお試し！ 超高速?超高効率GaN FETの SPICEシミュレーション 堀米 毅 Tsuyoshi Horigome もう 待ちきれ ない…
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