Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 13
Понятие идеального ключа 13
Общие положения о мощных полупроводниковых приборах 14
История развития транзисторных ключей 14
Силовые биполярные транзисторы 20
Мощные МОП транзисторы 29
IGBT структуры 37
Области применения современных дискретных мощных электронных компонентов 46
Системы автоматизированного проектирования электроники 47
Средства САПР и уровни проектирования 47
Развитие САПР PSpice 50
SPICE модели мощных биполярных транзисторов 51
SPICE модели мощных полевых транзисторов 55
SPICE модели IGBT транзисторов 58
1.5 Выводы 63
ГЛАВА 2 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ИЗМЕРЕНИЯ И
ИДЕНТИФИКАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ SPICE МОДЕЛЕЙ
МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР 64
Соотношение аппаратного и программного обеспечения 64
Разработка аппаратной части автоматизированного измерителя 64
Методы измерения характеристик на постоянном токе 65
Постановка задачи 66
Интерфейсная плата 68
Коллекторный источник напряжения 74
Модуль базового (низковольтного) источника сигнала 80
Обоснование выбора элементной базы 83
Импульсные блоки питания 84
2.3 Разработка программного обеспечения 89
2.3.1 Требования к программному обеспечению 89
Программное обеспечение внутренней системы управления микроконтроллера 90
Программное обеспечение для управления измерительным комплексом 91
Программное обеспечение тестирования работоспособности и калибровки аппаратных модулей прибора 92
2.4 Проведение измерений 100
Измерение вольт-амперных характеристик двухполюсников 100
Измерение статических характеристик транзисторов 102
Элементы управления комплекса 103
Проведение измерений 105
2.5 Выводы 109
ГЛАВА 3 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE МОДЕЛИ
МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПО
Общие принципы идентификации параметров моделей по экспериментально измеренным характеристикам 110
Методы упрощения нелинейных уравнений модели 112
Методы формирования целевых функций 113
Методы оптимизации 114
Алгоритм идентификации параметров SPICE модели 116
Выбор характеристик, по которым проводится идентификация 116
Уменьшение размерности пространства 118
Алгоритм разделения ВАХ диода на характерные участки 120
Выбор вектора начальных приближений 122
Масштабирование 122
3.6 Идентификация модели мощного биполярного транзистора 123
SPICE-модель биполярного транзистора 124
Алгоритм определения параметров модели биполярного транзистора 127
Расчет параметров pF, Ise и пе 129
Расчет напряжения Эрли 131
Расчет сопротивлений эмиттера и коллектора 132
Расчет сопротивления базы 134
Расчет параметров высокого уровня инжекции 135
Моделирование режима квазинасыщения 136
Апробация методики 140
3.7 Идентификация модели мощного МОП-транзистора 140
SPICE-модель МОП-транзистора первого уровня 141
Алгоритм идентификации параметров модели первого уровня 145
3.8 Выводы 149
ГЛАВА 4 - ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ
IGBT ТРАНЗИСТОРА С ПОМОЩЬЮ МНОГООТКЛИКОВЫХ
РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ 150
Постановка задачи оценивания параметров эквивалентной схемы с помощью многооткликовой регрессионной модели 150
Эквивалентная схема IGBT транзистора 151
Расчет статического режима 153
Расчет оценок параметров эквивалентной схемы 154
Проверка адекватности модели 156
Программа расчета статического режима IGBT транзистора 156
Программа расчета оценок параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора 159
Методика проведения эксперимента и результаты расчетов 162
Выводы 164
ГЛАВА 5 ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ САПР 165
Общие положения 165
Сравнительный обзор серверов SQL 165
Обзор средств разработки приложений 167
Delphi как среда разработки информационных приложений 168
Методы работы с базами данных InterBase 168
Общие характеристики InterBase 168
Технология InterBase Express 169
Необходимые требования к структуре базы данных 170
Организация взаимодействия приложения с базой данных 172
Проектирование схемы реляционной базы данных 174
Реляционные базы данных 174
Проектирование структуры реляционной базы данных 176
5.9 Программирование базы данных в InterBase 177
5.9.1 Организация интерфейса прикладной программы 179
5.10 Выводы 181
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 182
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 185
Приложение А -Модуль данных информационного приложения 191
Приложение Б - Интерфейс программы VahBase Client 192
Приложение В.1 - Обозначение элементов структуры базы данных 193
Приложение В.2 - Структурная схема реляционной базы данных 194
Приложение В.З -Комментарии, поясняющие назначение элементов
структуры реляционной базы данных 195
Приложение Г - Модуль данных информационного приложения 199
Приложение Д - Структура таблиц реляционной базы данных 201
Введение к работе
Анализ режимов работы мощных импульсных устройств, которые приобретают все большее распространение в связи с развитием полупроводниковой элементной базы, является весьма сложным процессом. Такой анализ, на сегодняшний день, становится возможен только с использованием компьютерного моделирования, точность которого определяется качеством математических моделей элементов, входящих в состав схемы. Развитие средств автоматизированного проектирования привело к создания специального класса моделей полупроводниковых приборов и элементов ИС, известных под названием SPICE-моделей. Количество параметров, необходимых для описания таких моделей определяется уровнем развития технологии, характеризуемой величиной топологической нормы.
На сегодняшний день большинство крупных фирм-производителей микроэлектронных компонентов наряду с традиционным способом представления параметров выпускаемых приборов дает в руки разработчиков их SPICE-модели. Современные пакеты автоматизированного проектирования включают в себя обширные библиотеки моделей компонентов электронной техники, выпускаемых иностранной промышленностью. Однако в библиотеках SPICE-моделей заданы усредненные параметры прибора и, как правило, не указан их допустимый разброс. Для использования современных САПР при разработке схем, содержащих микроэлектронные компоненты отечественного производства, необходимо создание адекватных им SPICE-моделей с последующей реализацией на их базе библиотек отечественных компонентов. В этой связи принципиальное значение приобретает разработка методик измерения и идентификации параметров SPICE-моделей.
Для проведения эффективного и точного моделирования электронных схем необходимо обеспечение следующих возможностей:
наличие обширных библиотек моделей;
возможность модификации моделей библиотечных элементов;
создание иерархии моделей, позволяющих выбирать между точностью и скоростью расчета;
наличие средств построения моделей, так как ни одна библиотека не может содержать набор моделей, удовлетворяющий всех пользователей;
-наличие измерительных средств, позволяющих проводить измерения характеристик приборов с целью создания моделей.
Для успешного решения задачи идентификации статических параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов необходима разработка измерительной базы и соответствующего программного обеспечения, включающего методы расчета параметров и их статистических характеристик по экспериментальным данным.
В большинство публикаций, посвященных вопросам идентификации параметров SPICE-моделей, рассматриваются в основном проблемы расчета параметров моделей транзисторов малой и средней мощности. В меньшей степени развито направление мощных полупроводниковых структур. Практически важным является интеграция методов идентификации параметров моделей с измерительными приборами в единый комплекс.
Цель работы. Цель данной работы — разработка методик измерения и идентификации статических параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых и микроэлектронных приборов.
Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
- разработка автоматизированного измерительного комплекса, рабо
тающего под управлением персонального компьютера IBM PC и обеспечиваю
щего измерение статических вольт-амперных характеристик полупроводнико
вых приборов;
разработка методик идентификации параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов на основании измеренных вольт-амперных характеристик;
разработка программного обеспечения, предназначенного для управления измерительным комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения идентификации параметров моделей;
- разработка информационного приложения на платформе клиент-
сервер, интегрирующего программно-аппаратный комплекс измерения и иден
тификации параметров SPICE-моделей и стандартные средства САПР в единую
среду в масштабе предприятия для решения задач имитационного моделирова
ния, анализа и диагностики потенциально ненадежных компонентов и под
держки жизненного цикла изделий.
Методы исследования. Для решения поставленных задач выполнено следующее. С целью сопряжения аналогового измерительного комплекса с персональным компьютером использовалось аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, а так же построенная на базе микроконтроллера
8 AVR и входящая в состав автоматизированного измерителя интерфейсная плата, обменивающаяся данными с компьютером через стандартный последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных (СОМ порт). За основу метода нелинейного моделирования взят метод наименьших квадратов. Для минимизации целевой функции использовались метод сопряженный направлений Пауэлла, методы переменной метрики Бройдена - Флетчера -Шанно и Дэвидона - Флетчера - Пауэлла, а также ньютоновский метод Левен-берга - Маркварта. Для задания ограничений области определения целевой функции использовался методы штрафных функций. Применялись оригинальные методы декомпозиции целевой функции, позволяющие повысить эффективность оптимизации. Для расчета оценок параметров IGBT транзистора использовался подход на базе многооткликовой модели, описывающей эквивалентную схему транзистора, по результатам измерений наблюдаемых токов и напряжений ВАХ.
Решение поставленных задач осуществлялось автором на кафедре физики твердого тела и микроэлектроники Новгородского государственного университета.
Научная новизна. Диссертационная работа характеризуется следующей научной новизной:
Для идентификации статических параметров мощных полупроводниковых приборов адаптирована методика декомпозиции вольт-амперных характеристик на характерные участки, в основе которого лежит выделение различных механизмов токопереноса, включая участок высокого уровня инжекции и квазинасыщения.
Предложен метод экстракции параметров SPICE модели IGBT транзисторов, основанный на статистическом анализе многооткликовых моделей этих транзисторов, позволяющий получать параметры модели с заданной точностью по результатам измерений ВАХ. Для обеспечения высокой точности в этом случае требуется большое количество измерений, что возможно только с использованием автоматизированного измерительного комплекса.
Обоснованность и достоверность технических и экспериментальных исследований доказывается широким практическим апробированием основных результатов работы в лаборатории отказов ФГУП ПО «Квант» и рассмотрением теоретических изысканий на конференциях и семинарах различного ранга, включая публикации в рецензируемых журналах.
9 Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
разработан и внедрен в производство программно-аппаратный комплекс измерения статических параметров полупроводниковых приборов.
на базе алгоритма декомпозиции вольт-амперной характеристики, формирования целевой функции и последующего её решения с применением методов оптимизации, предложена и апробирована методика оценки ряда параметров мощного биполярного транзистора, необходимых для моделирования режима квазинасыщения.
разработана методика расчета параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора на основании многооткликовых моделей данных структур, позволяющая выполнять проверку адекватности таких моделей, рассчитывать SPICE параметры и их ковариационные матрицы. Представленный метод реализован в виде программ на алгоритмическом языке Visual Basic.
реализован проект автоматизации процессов регистрации и анализа качества, производительности и конкурентоспособности на предприятиях электронной промышленности.
Результаты диссертационной работы представляют практический и научный интерес для специалистов:
работающих в области систем автоматизированного проектирования,
производителей элементной базы силовой электроники с целью корректировки режимов технологических процессов, анализа качества выпускаемых приборов и экстракции параметров их моделей,
потребителей данной продукции с целью входного контроля для выявления потенциально ненадежных компонентов и экстракции их параметров для обеспечения адекватного моделирования изделий силовой электроники.
Материалы исследований используются в учебном процессе для студентов специальности "654100 - электроника и микроэлектроника", а так же при дипломном проектировании в Новгородском государственном университете. Перечень публикаций приведен в заключении.
На конкурсе персональных грантов кандидатского проекта Администрации Санкт-Петербурга, Министерства образования Российской Федерации и Российской Академии наук при участии Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» получен диплом АСП № 303154, номер гранта МОЗ-3.11К-272.
10 Научные положения, выносимые на защиту. В результате проведенных исследований получены новые научные результаты, позволяющие сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
интеграция аппаратных средств измерения и программного обеспечения, включающего методы идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов и информационного приложения в виде СУБД в единый программно-аппаратный комплекс привело к созданию инновационного продукта, позволяющего повысить эффективность измерения, идентификации и коррекции параметров моделей;
предложен и реализован практически алгоритм идентификации статических параметров с использованием метода декомпозиции уравнений модели, основанного на физических особенностях работы прибора;
метод оценивания статических параметров для сложных эквивалентных схем на основе статистического анализа многооткликовых моделей ВАХ по экспериментальным данным позволяет получать оценки всех параметров эквивалентных схем и их статистические характеристики.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Конкурс персональных грантов для студентов, аспирантов и молодых специалистов по исследованиям в области технических наук / Администрация Санкт-Петербурга Министерство образования Российской Федерации Российская Академия наук Федеральная целевая программа «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» 2003 г.
VIII Всероссийские Туполевские чтения студентов «Актуальные проблемы авиастроения» 1998 г., Казань.
VI Международная студенческая школа-семинар "Новые информационные технологии" 1999 г., Москва.
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" 2000 г., Рязань.
Пятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов 2000 г., Санкт-Петербург.
VIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов
2001 г., Великий Новгород.
7. IX научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов
2002 г., Великий Новгород.
IV международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2002» 2002 г., Москва.
VII научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2003 г., Санкт-Петербург.
III всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004)» 2004 г., Анжеро-Судженск.
7-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2004 г., Санкт-Петербург.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в научно-техническом журнале "Измерительная техника" (государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии), одна - в научно-техническом и прикладном журнале Вестник Новгородского Государственного университета, а так же ряд публикаций в сборниках трудов конференций и семинаров. Перечень публикаций приведен в заключении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 82 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 203 страницы, включая 88 рисунков, 17 таблиц, 2 листинга программ.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава посвящена анализу развития и состояния элементной базы силовой электроники и проблемам разработки их моделей по данным литературы. Рассмотрены современные САПР электронной техники. Особое внимание уделено рассмотрению математических моделей мощных полупроводниковых приборов, используемых в САПР. Определены основные проблемы, требующие разработки и исследований.
Во второй главе рассмотрена реализация разработанного измерительного комплекса. Изложены реализованные методики проведения измерений. Дано подробное описание программного обеспечения, управляющего измерительным комплексом.
12 В третьей главе излагается методика идентификация параметров SPICE-моделей полупроводниковых приборов основанная на представлении вольт-амперных характеристики в виде кусочно-непрерывной функции, отдельные уравнения которых описывают работу прибора в различных режимах. Проведено обоснование выбора моделей, методов нелинейной регрессии и методов оптимизации. Приведены результаты анализа эффективности различных методов оптимизации при решении задачи идентификации. Даны результаты апробации разработанных методик для биполярных и МОП транзисторов.
Четвертая глава содержит описание методики определения параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора с помощью многооткликовых регрессионных моделей. Приведен листинг программы расчета статического режима и оценок параметров эквивалентной схемы данного прибора. Изложена методология проведения эксперимента и результаты расчетов.
В пятой главе описывается создание информационного приложения как единого целого с пользовательским интерфейсом, благодаря которому производится отбор и обработка информации. Проведен сравнительный анализ SQL серверов, средств разработки приложений. Рассмотрены методы и технология работы с базами данных. Исходя из начальных условий и особенностей обработки экспериментальных данных, сформулированы требования по эргономич-ности, объему хранимой информации, а так же защите от несанкционированного доступа.
В заключении сделаны выводы по работе и даны рекомендации по дальнейшему развитию методов идентификации статических параметров SPICE моделей мощных полупроводниковых приборов, приведен перечень опубликованных и сданных в печать научных статей.
В приложении приведено описание структуры и интерфейса информационного модуля, структуры и элементов базы данных, а так же комментарии, поясняющие назначение элементов структуры реляционной базы данных
