罗姆新SPICE模型助力优化功率半导体性能

前言

在SiC（碳化硅）等功率半导体的电气仿真中，以往的行为模型存在收敛性差、仿真速度慢的问题。但是，这次开发并发布了提高仿真速度的新模型。

功率半导体在功率转换和控制中起着重要的作用，其性能和可靠性的验证至关重要。特别是，通过仿真的验证，与实际的试制和实验相比，能够大幅削减成本和时间，因此成为开发过程中不可缺少的方法。

以往的行为模型能够详细地再现复杂的动作，但存在收敛性差，仿真速度慢的问题。

与此相对，新开发的模型克服了这些问题，实现了更快且有效的仿真。新模型的发布使得开发者能够更快地评估和优化功率半导体的性能。由此，如图1所示，从电路设计到产品的市场投入的时间缩短，以期待竞争力的提高。

图1. 通过活用新模型可以缩短开发时间

什么是行为模型

行为模型是用任意函数定义器件特性，在电路仿真中用于仿真器件的行为。为了详细再现Compact模型（也称为Device模型）无法表现的特性，倾向于成为复杂的算法（计算公式）。另一方面，行为模型存在以下问题。

以往的行为模型的问题

以往的行为模型具有以下问题。

- 收敛性：为了详细再现复杂的动作，仿真的收敛经常恶化。

- 仿真速度：为了进行高精度的仿真需要大量的计算资源，结果仿真时间变长。

新仿真模型的特点

新开发的仿真模型具有以下特点。

- 快速收敛算法：改善收敛性，缩短仿真时间。

- 有效的计算方法：优化算法以提高动态瞬态分析中的仿真速度。

- 高精度结果：动态特性精度保持与传统行为模型相同，同时提高了仿真速度。

模型的评价

新的仿真模型通过以下方法进行了评价。

- 基准测试：与传统模型相比，评估仿真速度和收敛性。

- 仿真：在SiC MOSFET模型中，确认了动态特性的精度。

LTspice图2示出了AC-DC Boost PFC电路中SiC MOSFET模型的基准测试。将结果汇总到表1中，仿真时间从179秒缩短到79秒，能够以以往的44%的时间得到结果。另外，在双脉冲试验中进行仿真时，确认了新模型得到了与以往模型相同的输出波形（Turn-Of），高速化和精度维持并存。

图2. SiC MOSFET模型的评估电路

LTspiceVersion (x64): 24.1.3

表1. SiC MOSFET模型的评估结果

定义新的建模级别

罗姆此前也提供了SPICE模型，但为了防止由于模型类别的增加而引起的复杂化，决定定义新的建模水平。表2是汇总了模型类型和新的建模水平的定义的表。以往存在对于不同模型类型具有相同后缀的模型文件和对于相同模型类型具有不同后缀的模型文件。这样一来就无法一眼判断是哪种模型类型，所以导入了“ROHM级别”这一新的模型级别。

前面介绍的新模型是ROHM级别L3。另外，ROHM等级与SPICE version2G.6MOSFET Model中定义的“LEVEL”、其他模型供应商定义的“等级”、“级别”和“版本”不同，请注意。

在提供新模型L3之后，也并行提供以往模型L1。希望在详细评价静态特性时分开使用静态特性精度优良的L1模型，在评价动态特性时分开使用收敛性和速度优良的L3模型。

表2. 模型类别和新建模级别的定义

SPICE模型的安装

LTspice中SPICE的按照顺序概要如图3所示。详细的方法请参照应用笔记[LTspice用的电路模型]。选择所需的仿真电路模型可以用于验证。

1. 将模型文件存储在与电路图相同的文件夹中。

2. 将添加到电路图中的组件放置并执行仿真。

图3. 在LTspice中安装SPICE模型

今后的发展

此次开发的新模型用于第4代SiC MOSFET，是提高了收敛性和仿真速度的ROHM等级3（L3），将于2025年4月开始在网站上公开。今后计划开发自发热模型ROHM等级4（L4）。

新的模型水平的转移，首先第4代SiC MOSFET模型将从2025年4月开始，其他的产品群也依次展开，不过，转移期间新旧模型文件并存。