OCENA DOKŁADNOŚCI FIRMOWEGO MAKROMODELU TRANZYSTORA SiC-JFET

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI /j Kamil BARGIEŁ *, Damian BISEWSKI * OCENA DOKŁADNOŚCI FIRMOWEGO MAKROMODELU TRANZYSTORA SiC-JFET W pracy zaprezentowano wyniki weryfikacji eksperymentalnej makromodelu tranzystora JFET wykonanego z węglika krzemu o symbolu firmy United Silicon Carbide. Postać makromodelu jest dedykowana dla programu PSPICE i została udostępniona na stronie internetowej producenta. Oceniono dokładność makromodelu poprzez porównanie wybranych obliczonych i katalogowych charakterystyk statycznych oraz charakterystyk C(u) rozważanego tranzystora. Przeanalizowano wpływ temperatury otoczenia na wymienione charakterystyki tranzystora. SŁOWA KLUCZOWE: JFET, makromodel, węglik krzemu. 1. WPROWADZENIE Na przestrzeni ostatnich lat postęp technologiczny w zakresie konstrukcji przyrządów półprzewodnikowych skutkuje pojawieniem się na rynku nowoczesnych półprzewodnikowych przyrządów mocy wykonanych z węglika krzemu. W ten nurt rozwojowy wpisują się również złączowe tranzystory SiC-JFET (ang. Silicon Carbide-Junction Field-Effect Transistors) często stosowane na przykład w energoelektronicznych układach wytwarzania oraz przetwarzania energii elektrycznej [1, 2]. Obecnie, w procesie projektowania i analizy układów elektronicznych niezbędnym narzędziem inżyniera-konstruktora takich układów są odpowiednie programy komputerowe zawierające wiarygodne modele elementów elektronicznych. Jednym z najpopularniejszych programów przeznaczonych do analizy układów elektronicznych jest program PSPICE [3], zawierający między innymi jeden wbudowany model tranzystora JFET. Z drugiej strony, ważną grupę stanowią tzw. makromodele JFET, opracowane przez producentów tych tranzystorów i udostępnione na stronach internetowych w postaci obwodowej lub tekstowej. Makromodele są formułowane w postaci podobwodu i najczęściej zawierają w swojej strukturze modele wbudowane wybranych elementów elektronicznych lub źródła sterowane opisane odpowiednim zbiorem zależności analitycznych, a także dodatkowe elementy bierne [4]. * Akademia Morska w Gdyni

2 68 Kamil Bargieł, Damian Bisewski W pracy omówiono postać oraz zasadę działania firmowego makromodelu tranzystora JFET wykonanego z węglika krzemu o oznaczeniu wyprodukowanego przez United Silicon Carbide [5, 6]. Przeprowadzono ocenę dokładności tego makromodelu poprzez porównanie obliczonych charakterystyk statycznych oraz charakterystyk pojemności C(u) z odpowiednimi charakterystykami zamieszczonymi w karcie katalogowej wymienionego tranzystora. Ponadto, zbadano wpływ temperatury otoczenia na właściwości oraz charakterystyki rozważanego przyrządu półprzewodnikowego. 2. POSTAĆ MODELU Na rys. 1 przedstawiono reprezentację obwodową makromodelu tranzystora, która została udostępniona w postaci tekstowej na stronie internetowej producenta [5]. DRAIN CGD CGDa CGDb D LD DGD DGD2 DGS DDGI DBDD R_RD Dint GATE LG G Gjs R_RGAC2 R_RG R_RGAC1 Gint Gjd DBDS I DRAIN Sint CDSint CGSa DDGSI DGS2 CGSb R_RS CDS I GATE S CGSint CGS LS SOURCE Rys. 1. Reprezentacja obwodowa makromodelu tranzystora JFET

3 Ocena dokładności firmowego makromodelu tranzystora 69 Podstawowym elementem makromodelu (rys. 1) odpowiedzialnym za modelowanie prądu płynącego między drenem i źródłem tranzystora jest sterowane źródło prądowe I DRAIN. Rezystory R_RG, R_RD oraz R_RS modelują rezystancje szeregowe obszarów bramki, drenu oraz źródła tranzystora. Dioda DDGSI wraz ze źródłem sterowanym I GATE modeluje prąd złącza bramka-źródło spolaryzowanego w kierunku przewodzenia, natomiast dioda DBDS prąd złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym z uwzględnieniem zakresu przebicia złącza. Za modelowanie charakterystyk pojemności złącza bramka-źródło odpowiedzialne są elementy DGS2, CGSa oraz CGSb. W topologii modelu (rys. 1) umieszczono również analogiczne elementy związane z modelowaniem charakterystyk pojemności złącza bramka-dren. Elementy CGD, CGS, CDS oraz LG, LD, LD reprezentują pasożytnicze pojemności oraz indukcyjności wyprowadzeń tranzystora. Wydajność sterowanego źródła prądowego I DRAIN jest opisana w trzech zakresach pracy tranzystora, zgodnie ze wzorami [3]: - w zakresie odcięcia (dla u GS VTO(T) < 0): I 0 (1) drain w zakresie liniowym (dla u DS u GS VTO(T)): I BETA( T) (1 LAMBDA V ) u (2 ( u VTO( T)) u ) (2) drain DS DS GS DS w zakresie nasycenia (dla 0 < u GS VTO(T) < u DS ): I BETA( T ) (1 LAMBDA u ) ( u VTO( T )) (3) drain ds gs gdzie: u GS napięcie bramka-źródło, u DS napięcie dren-źródło, BETA parametr transkonduktancji, LAMBDA współczynnik modulacji długości kanału, VTO napięcie progowe. 3. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Przeprowadzono ocenę dokładności makromodelu tranzystora SiC-JFET o postaci zaprezentowanej w poprzednim punkcie. Wyniki symulacji rozważanym makromodelem porównano z wynikami pomiarów umieszczonymi w karcie katalogowej tranzystora [6]. W podrozdziale 3.1. przedstawiono prądowonapięciowe charakterystyki wyjściowe, przejściowe oraz wejściowe tranzystora w różnych temperaturach otoczenia, natomiast w podrozdziale 3.2. charakterystyki pojemności w funkcji odpowiednich napięć zaciskowych. Na pokazanych w tym rozdziale rysunkach punktami zaznaczono wyniki pomiarów, natomiast liniami ciągłymi oznaczono wyniki symulacji. 2

4 70 Kamil Bargieł, Damian Bisewski 3.1. Charakterystyki statyczne Na rys. 2-4 przedstawiono charakterystyki wyjściowe tranzystora JFET w trzech arbitralnie wybranych temperaturach otoczenia dla różnych wartości napięcia sterującego bramka-źródło. i D [A] u GS = 2V u GS = 0V u GS = - 2V u DS [V] Rys. 2. Charakterystyki wyjściowe tranzystora w temperaturze 25 C T a = 125 C u GS = 2V u GS = 0V i D [A] u GS = - 2V u DS [V] Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe tranzystora w temperaturze T a =125 C

5 Ocena dokładności firmowego makromodelu tranzystora T a = 175 C u GS = 2V u GS = 0V i D [A] u GS = - 2V u DS [V] Rys. 4. Charakterystyki wyjściowe tranzystora w temperaturze T a =175 C Jak widać z rys. 2-4, zgodność wyników symulacji i pomiarów uzyskano wyłącznie w zakresie napięć dren-źródło nie przekraczających około 2,5 V we wszystkich rozważanych temperaturach otoczenia, natomiast w pozostałych zakresach tego napięcia rozbieżności pomiędzy wynikami symulacji i pomiarów sięgają od około 15% w temperaturze 25 C do nawet 20% w temperaturze 175 C, co świadczy o dużej niedokładności rozważanego makromodelu tranzystora. Z kolei, na rys. 5 zaprezentowano charakterystyki wyjściowe tranzystora w trzech temperaturach otoczenia przy wartości napięcia u GS = -20 V, co zgodnie z danymi podanymi w karcie katalogowej oznacza pracę tranzystora w zakresie odcięcia. Okazuje się, że różnice pomiędzy wynikami symulacji i pomiarów, widoczne na rys. 5, sięgają nawet czterech rzędów wielkości. Ponadto, charakterystyki obliczone w różnych temperaturach otoczenia pokrywają się co oznacza, że w rozważanym makromodelu nie uwzględniono wpływu temperatury na charakterystyki tranzystora pracującego w zakresie odcięcia.

6 72 Kamil Bargieł, Damian Bisewski 1,E-03 1,E-04 T a = 175 C T a = 125 C 1,E-05 i D [A] 1,E-06 T a = 125 C 1,E-07 T a = 175 C 1,E-08 u GS = -20 V 1,E u DS [V] Rys. 5. Charakterystyki wyjściowe w zakresie odcięcia tranzystora Przedstawione na rys. 5 wyniki pomiarów świadczą o tym, że prąd płynący między drenem a źródłem tranzystora w analizowanym zakresie pracy rośnie wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Przykładowo dla wartości napięcia u DS = 400 V wartość prądu rośnie ponad 10-krotnie przy wzroście temperatury o 150 C. Z kolei, przykładowe charakterystyki wejściowe bramka-źródło tranzystora JFET dla trzech wartości temperatury otoczenia pokazano na rys. 6. 1,E+00 1,E-01 T a = 125 C i G [A] 1,E-02 1,E-03 T a = 175 C 1,E-04 1,E u GS [V] Rys. 6. Charakterystyki wejściowe tranzystora

7 Ocena dokładności firmowego makromodelu tranzystora 73 W przypadku rozważanych charakterystyk (rys. 6), akceptowalną zgodność wyników symulacji i pomiarów uzyskano w zakresie napięć bramka-źródło nie przekraczających 2,5 V. Zmiana nachylenia charakterystyki wejściowej tranzystora w zakresie dużych prądów bramki oraz obserwowana dla napięć bramkaźródło większych niż 3 V wynika z rosnącego wpływu rezystancji szeregowej obszaru bramki i źródła tranzystora. Ponadto, jak widać z rys. 6, wzrost temperatury otoczenia powoduje przesunięcie się charakterystyk w kierunku niższych wartości napięcia bramka-źródło. Na rys. 7 zaprezentowano obliczone oraz katalogowe charakterystyki przejściowe badanego tranzystora JFET przy wartości napięcia dren-źródło równej 5 V u DS = 5 V T a = 125 C i D [A] A T a = 175 C u GS [V] Rys. 7. Charakterystyki przejściowe tranzystora UJN12308K Jak widać (rys. 7), rozbieżności między wynikami symulacji i pomiarów sięgają 10%. Ponadto, na przedstawionych charakterystykach katalogowych widać, że gwałtowny wzrost prądu drenu tranzystora wraz ze wzrostem napięcia bramka-źródło jest zauważalny przy napięciu UGS równym około -7 V. Z drugiej strony, w przypadku charakterystyk obliczonych, analogiczny wzrost prądu ma miejsce przy wartości tego napięcia niższej o około 1 V, co najprawdopodobniej spowodowane jest niewłaściwym doborem w tym makromodelu wartości parametrów związanych z opisem napięcia progowego. Dodatkowo na rys. 7 zaznaczono współrzędne tzw. punktu autokompensacji termicznej (punkt A), w którym temperatura otoczenia nie wpływa na wartości prądu drenu tranzystora. Jak widać, wymieniony punkt, ze względu na wartości prądu i D, znajduje się znacznie poniżej katalogowej [6] dopuszczalnej wartości prądu drenu tego tranzystora.

8 74 Kamil Bargieł, Damian Bisewski 3.2. Charakterystyki pojemności Producent badanego tranzystora umieścił w karcie katalogowej charakterystyki pojemności: wejściowej Ciss, wyjściowej Coss oraz przejściowej Crss w funkcji określonych napięć zaciskowych. Wyżej wymienione pojemności stanowią odpowiednie kombinacje pojemności złączowych tranzystora występujących w strukturze tego przyrządu półprzewodnikowego. Wartości pojemności Ciss, Coss oraz Crss wyrażono wzorami [7]: Ciss Cgs Cgd (4) Coss Cds Cgd (5) Crss Cgd (6) gdzie Cgs pojemność bramka-źródło, Cgd pojemność bramka-dren, natomiast Cds pojemność dren-źródło. Symulacje charakterystyk pojemności C(u) tranzystora zrealizowano z wykorzystaniem specjalizowanych układów obliczeniowych dedykowanych dla programu SPICE o postaci podanej w literaturze [7]. Na rys. 8 przedstawiono obliczone omawianym makromodelem oraz katalogowe charakterystyki pojemności C iss =f(u DS ) oraz C rss =f(u DS ) tranzystora JFET w temperaturze pokojowej Ciss C [pf] Crss u DS [V] Rys. 8. Przebiegi Ciss=f(u DS ) oraz Crss=f(u DS ) tranzystora Jak widać, uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników symulacji i pomiarów, co świadczy o dużej dokładności makromodelu w przypadku omawianych charakterystyk pojemności.

9 Ocena dokładności firmowego makromodelu tranzystora UWAGI KOŃCOWE W pracy oceniono dokładność makromodelu tranzystora JFET o symbolu poprzez porównanie charakterystyk obliczonych tym makromodelem z charakterystykami umieszczonymi w karcie katalogowej rozważanego przyrządu półprzewodnikowego. Okazuje się, że w przypadku modelowania charakterystyk statycznych badany makromodel charakteryzuje się stosunkowo niewielką dokładnością. W opisie analitycznym makromodelu nie uwzględniono wpływu temperatury na charakterystyki tranzystora pracującego w zakresie odcięcia, a dodatkowo niepoprawnie oszacowano wartości parametrów związanych z wyznaczaniem wartości napięcia progowego tranzystora, co prowadzi do dość dużych rozbieżności pomiędzy wynikami obliczeń i pomiarów. Z drugiej strony, zadowalającą zgodność wyników symulacji i pomiarów uzyskano w przypadku charakterystyk pojemności C(u) tranzystora, a zatem wykorzystany w makromodelu opis analityczny pojemności z powodzeniem nadaje się do stosowania w przypadku obliczeń wymienionych charakterystyk tranzystorów JFET wykonanych z węglika krzemu. LITERATURA [1] Gong X., Ferreira A., Modeling and Reduction of Conducted EMI in SiC JFET Motor Drivers with Insulated Metal Substrate, IEEE Energy Conversion Cong. and Exposition, 2008, pp [2] Pan S., Li L., Chen Z., Research of Solar Based on Silicon Carbide JFET Power Devices, Energy Procedica, vol.16, 2012, pp [3] PSPICE A/D Reference Guide Version 10.0, Cadence Design Systems Inc., June [4] Zarębski J., Bisewski D., Modele i makromodele tranzystorów MOS mocy dla programu SPICE, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, Sigma- Not, Nr 6, 2009, s [5] [6] [7] Zarębski J., Bisewski D., Modelowanie pojemności tranzystora GaAs oraz SiC MESFET w programie PSPICE, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia, Nr 59, 2008, s EVALUATION OF ACCURACY OF SiC-JFET MACROMODEL In the paper, the results of experimental verification of the macromodel of JFET transistor made of silicon carbide fabricated by United Silicon Carbide, are presented. The macromodel form dedicated for PSPICE program is available on

10 76 Kamil Bargieł, Damian Bisewski the manufacturer's website. The accuracy of the macromodel have been evaluated by comparison of selected calculated and measured static characteristics and C-V characteristics of the considered transistor. The influence of ambient temperature on the characteristics of the transistor has been evaluated, as well. (Received: , revised: )