三菱電機、SiC-MOSFETの高精度SPICEモデルを開発：回路設計効率化に貢献

三菱電機は、SiC-MOSFET「1200V-Nシリーズ」を用いた回路設計時のシミュレーションに有用な、高精度の「SPICEモデル」を開発した。実測とほぼ同じシミュレーション結果が得られるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高速スイッチング時の電流波形を高精度に模擬

　三菱電機は2020年7月、SiC-MOSFET「1200V-Nシリーズ」を用いた回路設計時のシミュレーションに有用な高精度の「SPICEモデル」を開発したと発表した。実測とほぼ同じシミュレーション結果が得られるという。

　SiC（炭化ケイ素）を用いたパワー半導体は、電力損失を大幅に低減できるため、産業用機器や鉄道車両、エアコンのインバーターシステムなどに採用され、消費電力の低減や機器の小型化などに貢献している。同社はこれまでも、SiC-MOSFETなどを搭載したSiCパワー半導体モジュールを供給してきた。2020年7月には、1200V-Nシリーズのサンプル出荷も始めた。

　SiC-MOSFETを用いて機器を開発する場合、技術者は電力変換回路やゲートドライブ回路を独自に設計する必要がある。この時、回路シミュレーターを用いて動作確認を行うのが一般的だが、利用するSPICEモデルの精度によって、設計効率は大きく変わるという。

　これまで同社が提供してきたSPICEモデルは、ドレイン−ソース電圧やゲート−ソース電圧と、これらの電圧によって変動する容量値の相関関係が正確に模擬されていなかった。このため、高速スイッチング動作時に電流波形の解析精度が十分ではなかったという。

左はSiC-MOSFETの断面構造図、右はスイッチング動作の解析事例 出典：三菱電機

　今回開発した高精度のSPICEモデルは、SiC-MOSFETがスイッチングしている時の電圧と電流波形から寄生容量の特性を評価し、その結果をSPICEモデルに反映した。この結果、ターンオンスイッチング波形の解析では、全ての電圧と電流で、実験による測定値とシミュレーションの結果がほぼ一致したという。特に、ドレイン電流の波形では、電流立ち上がり波形の誤差を、従来の40％から15％へと大幅に削減することができた。

ターンオンスイッチング波形の解析事例 出典：三菱電機

　さらに、SiC-MOSFETを駆動する電流波形（ゲート電流波形）の高精度シミュレーションも可能となった。これにより、ゲートドライブ回路を設計する時、要求される電流値に対し適切な素子の選定が容易となった。

　三菱電機は、室温対応となっている現在のSPICEモデルに、高温対応のパラメーターを追加し、今後は社外の顧客にも提供していく予定である。