Approche de modélisation distribuée appliquée aux composants semi-conducteurs bipolaires de puissance en VHDL-AMS. Application à la diode PIN de puissance et à l'IGBT
Résumé
The distributed modeling approach of power bipolar devices implemented compactly by solving the ambipolar diffusion equation in the form of a Fourier series decomposition achieve an excellent compromise between accuray of results/simulation time. The implementation of the calculation engine as RC lines with variable parameters by a description language such as VHDL-AMS (IEEE 1076-1999) is presented. The description of the charge transport mechanism in low doped bases of power devices, complemented by other traditional models used in other areas (emitters, space charge layer or drift zone, MOS channel, buffer layer, etc...) is used to build complete models of power PIN diode and IGBT. These models/sub-models are stored in a library for reuse in other context by other engineers helping to reduce time and money during system design. Their implementation in Questa-ADMS software validates their suitability for circuits simulation of power electronics and their virtual prototyping. The temperature, integrated as a parameter at the present, can be managed in the short term as the amount returned by the compact thermal models. The methodology presented associated with the characteristics of the chosen description language allows the creation of new devices models for functional integration by simple assembly of various sub-models. The possibility of different levels of description in the main (architecture) of each submodel also allows an optimal use at all stages of design process of power electronic systems.
L'approche de modélisation distribuée des composants bipolaires de puissance mise en oeuvre de manière compacte par la résolution de l'équation de diffusion ambipolaire sous forme de décomposition en série de Fourier constitue un excellent compromis précision des résultats/temps de simulation. La mise en oeuvre du moteur de calcul sous forme de ligne RC à paramètres variables en langage de description VHDL-AMS (IEEE 1076-1999) est présentée. La description du mécanisme de transport de charges dans les zones larges et peu dopées des composants de puissance, complétée par des modèles plus classiques des autres zones utilisées (émetteurs, région de charge d'espace ou de drift, canal MOS, couche tampon, etc...) permet de bâtir les modèles complets de diode PIN et de transistor IGBT. Ces différents modèles/sous-modèles de composants forment une bibliothèque qui permet une réutilisation aisée dans d'autres contextes et par d'autres ingénieurs et ainsi une réduction du temps et du coût de conception des systèmes. Leur implantation en VHDL-AMS dans le logiciel Questa-ADMS permet de valider leur adaptation à la simulation des circuits de l'électronique de puissance et à leur prototypage virtuel. La température, intégrée à l'heure actuelle comme paramètre pourra à court terme être gérée en tant que quantité renvoyée par des modèles thermiques compacts. La méthodologie présentée associée aux caractéristiques du langage de description choisi permet d'envisager la création de modèles de nouveaux composants, issus de l'Intégration Fonctionnelle, par simple assemblage de différents sous-modèles. La possibilité de différents niveaux de description dans l'architecture de chaque sousmodèle autorise également une utilisation optimale à toutes les étapes du processus de conception des systèmes d'électronique de puissance.
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