SPICE NIGBT

SPICE-совместимый N-канальный изолированный затворный биполярный транзистор

  • Библиотека:
  • Simscape/Электрический/Дополнительные компоненты/Полупроводники SPICE

  • SPICE NIGBT block

Описание

Блок SPICE NIGBT моделирует биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) SPICE n-типа.

SPICE, или Simulation Program с упором на интегральные схемы, является инструментом симуляции для электронных схем. Можно преобразовать некоторые подсхемы SPICE в эквивалентные модели Simscape™ Electrical™ с помощью блоков Environment Parameters и SPICE-совместимых блоков из библиотеки дополнительных компонентов. Для получения дополнительной информации смотрите subcircuit2ssc.

Этот рисунок показывает эквивалентную схему для блока SPICE NIGBT:

Уравнения

Переменные для SPICE NIGBT блочных уравнений включают:

  • Переменные, которые вы задаете, задавая параметры для блока SPICE NIGBT.

  • Температура, T, которая 300.15 K по умолчанию. Можно использовать другое значение, задавая параметры для блока SPICE NIGBT или задавая параметры как для блока SPICE NIGBT, так и для блока Environment Parameters. Для получения дополнительной информации см. Раздел «Температура транзистора»

Ток канала MOSFET

Эта таблица показывает уравнения, которые определяют отношение между током, Imos канала MOSFET и напряжением источника управления Vgs.

Применимая область значений Vgs значенийСоответствующее Imos уравнение

Vgs<VT

Imos=GMIN*Vds*SCALE

VdsVgsVTKF

Imos=SCALE*(KF*KP[(VgsVT)VdsKF*Vds22]1+THETA*(VgsVT)+GMIN*Vds)

Vds>(VgsVT)KF

Imos=SCALE*(KP(VgsVT)22[1+THETA*(VgsVT)]+GMIN*Vds)

В этих уравнениях:

  • Vds - напряжение стока-источника.

  • VT - пороговое напряжение.

  • KF - коэффициент триодной области.

  • KP - транспроводимость моспета.

  • THETA - коэффициент поперечного поля.

Биполярный установившийся ток коллектора

Эта таблица показывает уравнения, которые задают отношение между установившимся током коллектора, Icss и емкостью на базе эмиттера, Qeb.

Применимая область значений Qeb значенийСоответствующее Icss уравнение

Qeb<0

Icss=0

Qeb0

Icss=[(11+b)IT+(b1+b)(4DpW2)Qeb]*SCALE

В этих уравнениях:

  • b=MUNMUP - амбиполярный коэффициент мобильности.

  • Dp=KBTq*MUP - коэффициент диффузии для отверстий.

  • W=WBWbcj - квази-нейтральная ширина основания, где:

    • WB - ширина металлургического основания.

    • Wbcj=2εsiVbc+Vbiq*NB - ширина истощения коллектора базы.

    • Vbc - напряжение коллектора базы.

    • Vbi - встроенное напряжение, и оно равно 0.6 V

Биполярный установившийся базовый ток

Эта таблица показывает уравнения, которые задают отношение между установившимся базовым током, Ibss и емкостью на базе эмиттера, Qeb.

Применимая область значений Qeb значенийСоответствующее Ibss уравнение

Qeb<0

Ibss=0

Qeb0

Ibss=QebTAU+(QebQB)2(4*NB2ni2)JSNE*AREA*SCALE

В этих уравнениях:

  • TAU - срок службы амбиполярной рекомбинации.

  • JSNE - плотность тока насыщения излучателя.

  • ni является собственной концентрацией носителя. В 300 K это равно 1,45 * 1010 1/см3.

  • QB=qWNB*AREA - фоновый базовый заряд мобильного оператора связи, где:

    • NB является базовым допингом.

    • AREA - область устройства.

Биполярное Напряжение-База Излучателя

Эта таблица показывает уравнения, которые задают отношение между напряжением на базе эмиттера, Veb и емкостью на базе эмиттера, Qeb.

Применимая область значений Qeb значенийСоответствующее Veb уравнение

Qeb<0

Veb=Vebj

Qbi>Qeb0

Vebmin=min(Vebj,Vebd)

Qeb>Qbi

Veb=Vebd

В этих уравнениях:

  • Vebj=Vbi(QebQbi)22qNBεsiA2- напряжение истощения базы эмиттера.

  • Vbi - встроенное напряжение.

  • Qbi=AREA*2εsiqNB*Vbi - встроенное напряжение соединения с базой эмиттера.

  • Vebd=kTqln[(P0ni2+1NB)(NB+P0)]DCμnclnP0+NBNB- диффузионное напряжение на базе эмиттера.

Ток анода

Ток анода получается из этого уравнения:

IT=VaeRb*SCALE,

где:

  • Vae - приложенное напряжение анодного излучателя.

  • Rb - модулированное проводимостью базовое сопротивление.

Эта таблица показывает уравнения, которые задают отношение между модулированным проводимостью базовым сопротивлением, Rb и емкостью базы эмиттера, Qeb.

Применимая область значений Qeb значенийСоответствующее Rb уравнение

Qeb<0

Rb=Wq*MUN*AREA*NB

Qeb0

Rb=Wq*μeff*AREA*neff

В этих уравнениях:

  • μeff является эффективной мобильностью несущей.

  • neff является эффективной концентрацией легирования на основе.

  • MUN - подвижность электронов.

μeff и neff получаются с помощью этих уравнений:

μnc=1(1μn+1μc)μpc=1(1μp+1μc)μeff=μnc+μpcQeb(Qeb+QB)Dc=2kTqμncμpcμnc+μpcL=Dc*TAUP0=Qq*AREA*LtanhW2Lneff=W2LNB2+P02csch(WL)arctanh[NB2+P02csch(WL)tanh(W2L)NB+P0csch(WL)tanh(W2L)]δ¯p=P0sinh(W2L)sinh(WL)

где:

  • μnc является подвижностью рассеяния электронных носителей.

  • μpc - подвижность рассеяния несущих отверстий.

  • Dc является диффузией рассеяния носителя и носителя.

  • L - длина амбиполярной диффузии.

  • P0 - концентрация носителя в конце основы эмиттера.

  • δp¯ - средняя концентрация носителя в основе.

Ток умножения лавины

Ток лавинного умножения получен из этого уравнения:

Imult=(M1)(Imos+Icss+Iccer)+M*Igen,

где:

  • Igen=SCALETAUqniAREA2εsiVbcqNB- тепловой ток на базе коллектора.

  • Icss - установившийся ток коллектора.

  • Imos - ток канала MOSFET.

  • Iccer - ток перераспределения коллектор-эмиттер.

Это уравнение определяет отношение между напряжением коллектора базы, Vbc и коэффициентом умножения лавины, M:

M=11(VbcBVcbo)BVN,

где:

  • BVcbo=BVF*5.34e13*NB0.75- напряжение разрушения коллектора-эмиттера с открытым основанием.

  • BVF - коэффициент однородности лавины.

  • BVN является степенью лавинного умножения.

Емкостная модель

Емкость источника затвора получается из этого уравнения:

Qgs=CGS*Vgs*SCALE.

Емкость источника стока получается из этого уравнения:

Qds=q(AREAAGD)*NB*Wdsj*SCALE,

где Wdsj = Wbcj - ширина истощения источника стока.

Эта таблица показывает уравнения, которые задают зависимость между емкостью стока-затвора, Qdg и напряжением стока-затвора, Vdg

Применимая область значений Vdg значенийСоответствующее Qdg уравнение

Vdg+VTD0

Qdg=Cgdo*Vdg*SCALE

Vdg+VTD>0

Qdg=[qNBεsiAGDCOXD(COXD*Wdgjεsilog(1+COXD*Wdgjεsi))Cgdo*VTD]*SCALE

В этих уравнениях:

  • Cgdo=COXD*AGD - емкость перекрывающегося оксида затвора-стока.

  • Vdg - напряжение слива-затвора.

  • εsi - диэлектрическая проницаемость кремния.

  • Wdgj=2εsi(Vdg+VTD)qNB - ширина истощения перекрытия стока-затвора.

  • VTD является Gate-drain overlap depletion threshold, VTD.

  • COXD является Gate-drain oxide capacitance per unit area, COXD.

  • AGD является Gate-drain overlap area, AGD.

  • NB является Base doping, NB.

Это уравнение показывает связь между током перераспределения коллектора-эмиттера, Iccer, и емкостью перераспределения коллектора-эмиттера, Ccer:

Iccer=Ccer*dVecdt*SCALE,

где Vec - напряжение излучателя-коллектора.

Эта таблица показывает уравнения, которые задают отношение между емкостью перераспределения коллектора-эмиттера, Ccer и емкостью базы эмиттера, Qeb.

Применимая область значений Qeb значенийСоответствующее Ccer уравнение

Qeb>0

Ccer=QebCbcj3QB+Cmin*AREA

Qeb0

Ccer=CminAREA

В этих уравнениях:

  • Cbcj является емкостью истощения коллектора базы.

  • QB=qWNB*AREA - фоновая плата за основу мобильной связи.

Неявный ток конденсатора на базе эмиттера получен из этого уравнения:

Iqeb=dQebdt*SCALE.

Температура транзистора

Можно использовать эти опции, чтобы задать температуру транзистора, T:

  • Фиксированная температура - блок использует температуру, которая независима от температуры схемы, когда Model temperature dependence using параметр в Temperature параметрах настройки SPICE NIGBT блок установлен на Fixed temperature. Для этой модели наборы блоков T равными TFIXED.

  • Температура устройства - блок использует температуру, которая зависит от температуры схемы, когда Model temperature dependence using параметр в Temperature параметрах настройки SPICE NIGBT блок установлен на Device temperature. Для этой модели блок определяет температуру как

    T=TC+TOFFSET

    где:

    • TC - температура контура.

      Если в схеме нет Environment Parameters блока, TC равно 300,15 K.

      Если есть Environment Parameters, блок в схеме, TC равен значению, которое Вы определяете для Temperature параметра в SPICE параметрах настройки Environment Parameters блок. Значение по умолчанию для параметра Temperature 300.15 K.

    • TOFFSET - смещенная температура локального контура.

Порты

Расположение портов показано на рисунке.

Сохранение

расширить все

Электрический порт сопоставлен с клеммой IGBT.

Электрический порт сопоставлен с клеммой коллектора IGBT.

Электрический порт сопоставлен с клеммой эмиттера IGBT.

Параметры

расширить все

Размерности

Площадь перекрытия затвора-дренажа. Значение должно быть больше 0.

Площадь устройства. Значение должно быть больше 0.

Количество параллельных транзисторов, которые представляет блок. Значение должно быть целым числом, больше 0.

Общая информация

Подвижность электронов.

Подвижность отверстия.

Допинг основы.

МОП-транзистор

Фактор триодной области.

Производная тока стока относительно напряжения затвора. Значение должно быть больше или равно 0

Пороговое напряжение.

Коэффициент поперечного поля.

БИПОЛЯРНЫЙ ПЛОСКОСТНОЙ ТРАНЗИСТОР

Срок службы амбиполярной рекомбинации.

Ширина металлургической основы.

Плотность тока насыщения эмиттера.

Коэффициент однородности лавины.

Экспонента умножения лавин.

Емкость

Емкость затвора-источника на единицу площади.

Емкость оксида затвора-стока на единицу площади.

Порог истощения затвора-стока перекрытия.

Задавать ли начальное условие.

Начальное напряжение условие.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Specify initial condition равным Yes.

Начальное напряжение условие.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Specify initial condition равным Yes.

Температура

Опции для моделирования температурной зависимости транзистора:

  • Device temperature - Используйте температуру устройства, чтобы смоделировать температурную зависимость.

  • Fixed temperature - Используйте температуру, которая не зависит от температуры контура, чтобы смоделировать температурную зависимость.

Для получения дополнительной информации см. «Температурная зависимость».

Температура симуляции транзистора. Значение должно быть больше 0 K.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model temperature dependence using равным Fixed temperature.

Температура, при которой измеряются параметры транзистора Значение должно быть больше 0 K.

Величина, на которую температура транзистора отличается от температуры контура.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model temperature dependence using равным Device temperature.

Ссылки

[1] Hefner, A.R. and Diebolt, D.M. Экспериментально верифицированная модель IGBT, реализованная в симуляторе схемы Сабера. Транзакции IEEE на Power Electronics 9, № 5 (сентябрь 1994 года): 532-42. https://doi.org/10.1109/63.321038.

[2] Хефнер, А.Р., младший Технология полупроводниковых измерений: INSTANT - IGBT Network Simulation и Transient ANalysis Tool. Министерство торговли США/Управление по технологиям, Национальный институт стандартов и технологий. 1992.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

.
Введенный в R2020a