DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0007
__________________________________________
* Akademia Morska w Gdyni
Kamil BARGIEŁ*, Damian BISEWSKI*
OCENA DOKŁADNOŚCI FIRMOWEGO MAKROMODELU TRANZYSTORA SiC-JFET
W pracy zaprezentowano wyniki weryfikacji eksperymentalnej makromodelu tranzy- stora JFET wykonanego z węglika krzemu o symbolu UJN1208K firmy United Silicon Carbide. Postać makromodelu jest dedykowana dla programu PSPICE i została udostęp- niona 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 nowocze- snych 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 stoso- wane na przykład w energoelektronicznych układach wytwarzania oraz przetwa- rzania energii elektrycznej [1, 2].
Obecnie, w procesie projektowania i analizy układów elektronicznych nie- zbędnym narzędziem inżyniera-konstruktora takich układów są odpowiednie programy komputerowe zawierające wiarygodne modele elementów elektro- nicznych. 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 sta- nowią tzw. makromodele JFET, opracowane przez producentów tych tranzysto- rów i udostępnione na stronach internetowych w postaci obwodowej lub teksto- wej. Makromodele są formułowane w postaci podobwodu i najczęściej zawiera- ją w swojej strukturze modele wbudowane wybranych elementów elektronicz- nych lub źródła sterowane opisane odpowiednim zbiorem zależności analitycz- nych, a także dodatkowe elementy bierne [4].
W pracy omówiono postać oraz zasadę działania firmowego makromodelu tranzystora JFET wykonanego z węglika krzemu o oznaczeniu UJN1208K wy- produkowanego przez United Silicon Carbide [5, 6]. Przeprowadzono ocenę dokładności tego makromodelu poprzez porównanie obliczonych charakterystyk statycznych oraz charakterystyk pojemności C(u) z odpowiednimi charaktery- stykami zamieszczonymi w karcie katalogowej wymienionego tranzystora. Po- nadto, zbadano wpływ temperatury otoczenia na właściwości oraz charaktery- styki rozważanego przyrządu półprzewodnikowego.
2. POSTAĆ MODELU
Na rys. 1 przedstawiono reprezentację obwodową makromodelu tranzystora UJN1208K, która została udostępniona w postaci tekstowej na stronie interneto- wej producenta [5].
Rys. 1. Reprezentacja obwodowa makromodelu tranzystora JFET UJN1208K
DDGI DBDD
DBDS DDGSI DGS
DGS2 DGD DGD2
Gjd
Gint Gjs R_RGAC2
R_RGAC1 G R_RG
GATE
R_RS R_RD Dint
Sint D
S DRAIN
SOURCE LS LD
CDS
CGS CGD
CGSint CGSb CGDb
LG CDSint CGSa
CGDa
IDRAIN
IGATE
Podstawowym elementem makromodelu (rys. 1) odpowiedzialnym za mode- lowanie prądu płynącego między drenem i źródłem tranzystora jest sterowane źródło prądowe IDRAIN. Rezystory R_RG, R_RD oraz R_RS modelują rezystancje szeregowe obszarów bramki, drenu oraz źródła tranzystora. Dioda DDGSI wraz ze źródłem sterowanym IGATE modeluje prąd złącza bramka-źródło spolaryzowanego w kierunku przewodzenia, natomiast dioda DBDS – prąd złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym z uwzględnieniem zakresu przebicia złącza. Za modelo- wanie charakterystyk pojemności złącza bramka-źródło odpowiedzialne są ele- menty DGS2, CGSa oraz CGSb. W topologii modelu (rys. 1) umieszczono rów- nież 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 IDRAIN jest opisana w trzech za- kresach pracy tranzystora, zgodnie ze wzorami [3]:
- w zakresie odcięcia (dla uGS – VTO(T) < 0):
0
drain
I (1) – w zakresie liniowym (dla uDS ≤ uGS – VTO(T)):
( ) (1 ) (2 ( ( )) )
drain DS DS GS DS
I BETA T LAMBDA V u u VTO T u (2) – w zakresie nasycenia (dla 0 < uGS – VTO(T) < uDS):
( ) (1 ) ( ( ))2
drain ds gs
I BETA T LAMBDA u u VTO T (3) gdzie: uGS – napięcie bramka-źródło, uDS – napięcie dren-źródło, BETA – para- metr 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 rozważa- nym makromodelem porównano z wynikami pomiarów umieszczonymi w kar- cie katalogowej tranzystora [6]. W podrozdziale 3.1. przedstawiono prądowo- napięciowe charakterystyki wyjściowe, przejściowe oraz wejściowe tranzystora w różnych temperaturach otoczenia, natomiast w podrozdziale 3.2. – charaktery- styki pojemności w funkcji odpowiednich napięć zaciskowych. Na pokazanych w tym rozdziale rysunkach punktami zaznaczono wyniki pomiarów, natomiast liniami ciągłymi oznaczono wyniki symulacji.
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.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
uDS [V]
iD [A]
UJN1208K Ta = 25°C
uGS = - 2V uGS = 0V uGS = 2V
Rys. 2. Charakterystyki wyjściowe tranzystora UJN1208K w temperaturze 25°C
0 10 20 30 40 50 60 70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
uDS [V]
iD [A]
UJN1208K Ta = 125°C
uGS = - 2V uGS = 0V uGS = 2V
Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe tranzystora UJN1208K w temperaturze Ta =125°C
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15
uDS [V]
iD [A]
UJN1208K
Ta = 175°C
uGS = - 2V uGS = 0V uGS = 2V
Rys. 4. Charakterystyki wyjściowe tranzystora UJN1208K w temperaturze Ta =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 tranzy- stora.
Z kolei, na rys. 5 zaprezentowano charakterystyki wyjściowe tranzystora w trzech temperaturach otoczenia przy wartości napięcia uGS= -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 charak- terystyki tranzystora pracującego w zakresie odcięcia.
1,E-09 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03
200 400 600 800 1000 1200
uDS [V]
iD [A]
uGS = -20 V Ta = 175°C
Ta = 125°C Ta = 25°C
Ta = 25°C Ta = 125°C
Ta = 175°C UJN1208K
Rys. 5. Charakterystyki wyjściowe w zakresie odcięcia tranzystora UJN1208K
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 uDS= 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-05 1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00
0 1 2 3 4
uGS [V]
iG [A]
UJN1208K
Ta = 175°C
Ta = 125°C
Ta = 25°C
Rys. 6. Charakterystyki wejściowe tranzystora UJN1208K
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 tranzy- stora w zakresie dużych prądów bramki oraz obserwowana dla napięć bramka- źródło większych niż 3 V wynika z rosnącego wpływu rezystancji szeregowej obszaru bramki i źródła tranzystora. Ponadto, jak widać z rys. 6, wzrost tempera- tury otoczenia powoduje przesunięcie się charakterystyk w kierunku niższych wartości napięcia bramka-źródło.
Na rys. 7 zaprezentowano obliczone oraz katalogowe charakterystyki przej- ściowe badanego tranzystora JFET przy wartości napięcia dren-źródło równej 5 V.
0 10 20 30 40
-10 -8 -6 -4 -2 0
uGS [V]
iD [A]
UJN1208K
uDS = 5 V Ta = 25°C
Ta = 125°C
Ta = 175°C A
Rys. 7. Charakterystyki przejściowe tranzystora UJN12308K
Jak widać (rys. 7), rozbieżności między wynikami symulacji i pomiarów się- gają 10%. Ponadto, na przedstawionych charakterystykach katalogowych widać, że gwałtowny wzrost prądu drenu tranzystora wraz ze wzrostem napięcia bram- ka-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 para- metrów 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 iD, znajduje się znacznie poniżej katalogowej [6] dopuszczalnej wartości prądu drenu tego tranzystora.
3.2. Charakterystyki pojemności
Producent badanego tranzystora umieścił w karcie katalogowej charaktery- styki pojemności: wejściowej Ciss, wyjściowej Coss oraz przejściowej Crss w funkcji określonych napięć zaciskowych. Wyżej wymienione pojemności stanowią odpowiednie kombinacje pojemności złączowych tranzystora występu- jących w strukturze tego przyrządu półprzewodnikowego. Wartości pojemności Ciss, Coss oraz Crss wyrażono wzorami [7]:
Cgd Cgs
Ciss
(4)Cgd
Cds
Coss
(5)Cgd
Crss
(6) gdzie Cgs – pojemność bramka-źródło, Cgd – pojemność bramka-dren, nato- miast Cds – pojemność dren-źródło.Symulacje charakterystyk pojemności C(u) tranzystora zrealizowano z wyko- rzystaniem specjalizowanych układów obliczeniowych dedykowanych dla pro- gramu SPICE o postaci podanej w literaturze [7].
Na rys. 8 przedstawiono obliczone omawianym makromodelem oraz katalo- gowe charakterystyki pojemności Ciss=f(uDS) oraz Crss=f(uDS) tranzystora JFET w temperaturze pokojowej.
10 100 1000
0 200 400 600 800 1000 1200
uDS [V]
C [pF]
UJN1208K
Ta = 25°C
Ciss
Crss
Rys. 8. Przebiegi Ciss=f(uDS) oraz Crss=f(uDS) tranzystora UJN1208K
Jak widać, uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników symulacji i po- miarów, co świadczy o dużej dokładności makromodelu w przypadku omawia- nych charakterystyk pojemności.
4. UWAGI KOŃCOWE
W pracy oceniono dokładność makromodelu tranzystora JFET o symbolu UJN1208K poprzez porównanie charakterystyk obliczonych tym makromode- lem z charakterystykami umieszczonymi w karcie katalogowej rozważanego przyrządu półprzewodnikowego.
Okazuje się, że w przypadku modelowania charakterystyk statycznych bada- ny makromodel charakteryzuje się stosunkowo niewielką dokładnością. W opi- sie analitycznym makromodelu nie uwzględniono wpływu temperatury na cha- rakterystyki tranzystora pracującego w zakresie odcięcia, a dodatkowo niepo- prawnie oszacowano wartości parametrów związanych z wyznaczaniem warto- ści 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. 629-636.
[2] Pan S., Li L., Chen Z., Research of Solar Based on Silicon Carbide JFET Power Devices, Energy Procedica, vol.16, 2012, pp. 1986-1993.
[3] PSPICE A/D Reference Guide Version 10.0, Cadence Design Systems Inc., June 2003.
[4] Zarębski J., Bisewski D., Modele i makromodele tranzystorów MOS mocy dla programu SPICE, Elektronika – konstrukcje, technologie, zastosowania, Sigma- Not, Nr 6, 2009, s. 96-100.
[5] http://unitedsic.com/wp-content/uploads/2016/02/UJN1208K.txt.
[6] http://unitedsic.com/wp-content/uploads/2017/01/DS_UJN1208K.pdf.
[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. 39-49.
EVALUATION OF ACCURACY OF SiC-JFET MACROMODEL
In the paper, the results of experimental verification of the macromodel of UJN1208K JFET transistor made of silicon carbide fabricated by United Silicon Car- bide, are presented. The macromodel form dedicated for PSPICE program is available on
the manufacturer's website. The accuracy of the macromodel have been evaluated by comparison of selected calculated and measured static characteristics and C-V character- istics of the considered transistor. The influence of ambient temperature on the charac- teristics of the transistor has been evaluated, as well.
(Received: 05.02.2018, revised: 10.03.2018)
