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本文始於2020年，介紹如何微調Simplorer (Twin Builder)透過Power Device Characterize所生成的功率元件模型，讓其暫態切換波形與量測更貼近。主要針對IGBT開關的Vce、Vge、Ic...這幾個指標做觀察，分析模型中的哪些參數會影響時域響應波形。

1. 介紹

2. 內建功率元件模型

3. 自建功率元件模型

4. 功率元件模型參數

   4.1 靜態參數

   4.2 動態參數

5. 參數化使用功率元件模型

   5.1 對內建或自建的功率元件直接餵以參數並做掃描分析(最簡易的方法)

   5.2 功率元件輸出成SML模型，再餵以參數並做掃描分析

   5.3 以內建功率元件模板，輸入所有的元件參數，然後作參數掃描分析(繁瑣)

6. 功率元件模型各參數的影響

   6.1 L_tot影響電壓與電流

   6.2 CIN0影響開關關閉緣(off-switch edge)

   6.3 CIN1影響開關打開緣(on-switch edge)

7. 總結

8. 問題與討論

   8.1 為何Simplorer依據規格書所建的模型，還必須事後對參數微調才能與量測完全貼合?

9. 參考

1. 介紹

   近幾年若以Simplorer+Q3D為關鍵字搜尋，可以在IEEE找到一堆論文[1][2][3]展示其功率元件模擬與量測如何地貼合一致。

   

   

   但大部分使用者自行做功率元件模擬與量測比對時，常遇到10~20%差異，這原因在哪裡呢? 如何做到這些論文所展示的效果? 本文將揭露這當中的關鍵秘訣。

2. 內建功率元件模型

   Simplorer內建許多功率元件模型



3. 自建功率元件模型

   使用者也可以根據規格書描述，透過Simplorer的Power Device Characterize功能，自建功率元件模型

   

   在建模的第一步驟[1/12]，可以選擇以矽(Si)或碳化矽(SiC)為基底材料的功率元件模型

   

   建模步驟Half-Bridge Test Circuit Condition [4/12]中的L_tot指的是封裝引腳所貢獻電感寄生效應，其影響Vce, Vge與Ic。(會抑制Ic的過激(overshoot)，但增加Vce的過激)

   

   建模步驟Dynamic Model Input [10/12]中的Res%維持預設值就好(5%)，不用刻意調小，因為調小對提升參數準度沒什幫助，但萃取參數的時間會增加。一般[Extraction]大約10~20分鐘內結束，如果您的例子超過這時間可能有問題。

   建模步驟Dynamic Parameter Validation [11/12]可以看出軟體萃取出的參數模型(右邊橘框)與規格書所定義(左邊綠框)是否夠接近。

   

   建模最後步驟Model Parameters [12/12]中的第一行[TYPE_IGBT]可以指定是N或P Type元件，選擇下一步是要擺放元件還是形成半橋測試電路，並可以透過[Save Model]將整個建模過程輸出.ppm檔，或透過[Create SML]把最後模型輸出成.sml。

   

   請注意這裡的.sml並非在Conducted EMI using Simplorer+Q3D內由Q3D輸出給Simplorer使用的RLCG"被動"模型，而是表示功率元件行為的"主動"模型。

   SML從以下匯入

   

   對於不熟悉建模步驟的使用者，除了參考HELP內說明，也可以直接拉內建好的功率元建模型，對照其規格書看官方對這些現有元件當初建模的設定過程，這對初學者極有幫助。

   

4. 功率元件模型參數

   不論是軟體內建或自建的模型，左鍵雙擊該模型就可以看到模型中有靜態(Static)與動態(Dynamic)兩大類參數 。

   4.1 靜態參數

   

   4.2 動態參數

   

   這些參數的意義在HELP p.477~485有說明，並在p.480很佛心的告訴你對應的影響。

   CIN0, CIN1, RG, LE, TAUS這幾個參數對暫態波形都很有影響

   (CIN0, CIN1)一般比(CR0, CR1)大一個量級以確保模擬行為穩定。又CIN0, CIN1這兩個值與建模步驟Normal Working Point Values [2/12]內所輸入的Cin (=Cge+Cgc)有關[3]。

5. 參數化使用功率元件模型

   不論是內建或自建的功率元件其參數雖然可以檢視，但無法直接修改，我們必須找個方法讓這些元件內的參數變成local variable，才能做參數掃描分析(optimetric)。

   5.1 對內建或自建的功率元件直接餵以參數並做掃描分析(最簡易的方法)

   對IGBT元件按右鍵，選擇[Pin Visibility]，讓CIN0, CIN1這兩個變數在元件符號顯示腳位

   對IGBT元件按右鍵，選擇[Edit Symbol] ，把這兩根腳位擺放在適當位置

   以CONST元件指定CIN0, CIN1兩個local variable連到這IGBT的CIN0, CIN1腳位

   

   5.2 功率元件輸出成SML模型，再餵以參數並做掃描分析

   5.3 以內建功率元件模板，輸入所有的元件參數，然後作參數掃描分析(繁瑣)

   

6. 功率元件模型各參數的影響

   6.1 L_tot影響電壓與電流

   建模步驟Half-Bridge Test Circuit Condition [4/12]中的L_tot影響Vce, Vge與Ic。增加L_tot會抑制Ic的過激(overshoot)但增加Vce的過激。這個值規格書不一定有寫，但對電壓/電流波形都有相當影響，所以如果規格書沒寫就要與量測對比做微調。

   

   6.2 CIN0影響開關關閉緣(off-switch edge)

   CIN0影響Vce, Vge與Ic

   

   

   6.3 CIN1影響開關打開緣(on-switch edge)

   CIN1影響Vce, Vge與Ic

   

   

7. 總結

   本文所介紹的L_tot與Cin (CIN0, CIN1)參數可一起調整，以使模擬結果在各個方面(電壓、電流)都與量測貼合。

   比方說：有個例子一開始模擬所得到的Vce電壓上升緣較緩且上升過激幅度比量測小。先試著調小Cin (CIN0, CIN1)後，Vce波形準了但Ic的過激幅度卻比量測值大，這時就可以接著再把Cin與L_tot都略調大以得到電壓、電流都與量測貼合的結果。

   請注意，本文要表達的重點並非軟體建模技術有極限所以要事後微調才能更準，而是有些建模輸入的關鍵資訊常有誤差，導致必須從結果反推修正。

8. 問題與討論

   8.1 為何Simplorer依據規格書所建的模型，還必須事後對參數微調才能與量測完全貼合?

   Ans：

規格書內所記載的功率元件在操作點下的Cin，其量測條件不見得與使用者實際操作條件相符。 而且你不知道規格書所寫的Cin是否已包含封裝與PCB貢獻的寄生電容。

下表是英飛凌某一顆MOS的Cin，其量測條件是閘極電壓為零，頻率1MHz。也就是這Cin是在開關關閉下量得的。

Ciss = Cgs +Cgd [3]

若我們模擬是把封裝與PCB寄生效應另外透過Q3D萃取出來與Simploere功率元件模型連接模擬，直接把CIN0, CIN1調小一些(*0.7~0.8)可能比較貼近量測結果(也可以一開始就把Cin調小)。

雖然我們把Cin當固定值(constant)，但事實上它與MOS操作電壓(Vgs,Vds)有關。

9. 參考

[1] Sari Maekawa, Hisao Kubota, "EMI prediction method for SiC inverter by the modeling of structure and the accurate model of power device", Int. Power Electron. Conference, 2014.

[2] Hocine Daou, François Costa, "Dynamic Electric Model for IGBT Power module based on Q3D and Simplorer : 3D Layout Design, Stray Inductance Estimation, Experimental Verifications", ESARS-ITEC, 2016.

[3] Zhuolin Duan, Tao Fan, "Improved SiC Power MOSFET Model Considering Nonlinear Junction Capacitances", IEEE Trans. on Power Electron., 2018.