【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 17 結(jié)束語(yǔ) 18 主要參考文獻(xiàn) 19 致 謝 20 1 IGBT 損耗特性 分析 第一章 前 言 電力電子器件是電力電子學(xué)的基礎(chǔ)，也是電力電子電路的核心。絕緣柵晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor．簡(jiǎn)稱 IGBT) 是一種復(fù)合了 BJT 優(yōu)點(diǎn)的功率 MOS 型器件，集 MOSFET 的柵極電壓控制特性和 BJT 的低導(dǎo)通電阻特性于一身，有類似 MOSFET 的寬 SOA特性，是近乎 理想的半導(dǎo)體大功率開(kāi)關(guān)器件，有著廣 闊的發(fā)展前景和應(yīng)用領(lǐng)域。但是，在 IGBT 的實(shí)際應(yīng)用中，其功率損耗（包括靜態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗）以及極限結(jié)溫的問(wèn)題備受關(guān)注。這對(duì)產(chǎn)品的壽命預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 IGBT 在硬開(kāi)關(guān)模式下工作時(shí)，在開(kāi)通及關(guān)斷瞬時(shí)有較大的開(kāi)關(guān)損耗，當(dāng)工作頻率較高時(shí)．開(kāi)關(guān)損耗將大大超過(guò) IGBT 的通態(tài)損耗，造成內(nèi)部結(jié)溫增高．并對(duì) IGBT 的安全工作形成威脅，以至造成永久性損壞。因此， IGBT 的損耗特性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件參數(shù)及散熱器的選擇相當(dāng)重要。 本文旨在研究 IGBT 損耗特性的組成、損耗的計(jì)算方法、損耗模型的建立和仿真以及對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)際情況 的比較分析 ,從而探求 IGBT 損耗特性的表現(xiàn)形式和減小損耗的方法。 IGBT 損耗研究的意義 IGBT 是一種電壓控制的 MOS 雙極復(fù)合型器件，這種器件結(jié)合了功率 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)和功率雙極晶體管 BJT(Bipolar Junction Transistor)的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，其缺點(diǎn)還是存在的，比如高壓 IGBT 內(nèi)阻大、導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗大，并且過(guò)壓、過(guò)熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較弱，往往需要附加保護(hù)電路。其中如何進(jìn)一步降低 IGBT 的功率損耗一直是國(guó)際上電力電子器件領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 隨著能源消耗日益增大，特別是電力的需求矛盾日趨尖銳，大力研究發(fā)展新型電力電子器件已成為一項(xiàng)重要課題。 IGBT 作為新型電力電子器件的代表，是國(guó)際上公認(rèn)的電力電子技術(shù)第三次革命的最具代表性的產(chǎn)品。 IGBT 是現(xiàn)在乃至將來(lái)小型化、低噪聲、智能化和高性能的中、小容量電力電子裝置的首選器件。 IGBT 優(yōu)良的性能使其成為電力電子領(lǐng)域理想的開(kāi)關(guān)器件。它主要應(yīng)用于低噪音電源、逆變器、不間斷電源 UPS以及電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域。除民用外，在航空、航天等 軍事領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。但是包括 IGBT 在內(nèi)的所有的電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中最受關(guān)注的就是其功率損耗和極限結(jié)溫。這對(duì)產(chǎn)品的壽命預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。而現(xiàn)有 IGBT的共同的不足之處就是高壓 IGBT 內(nèi)阻大、導(dǎo)通損耗大等?；诖?，研究其損耗特性是目前深入認(rèn)識(shí)并減小 IGBT 使用中資源浪費(fèi)的方法之一。 2 IGBT 損耗研究的現(xiàn)狀 在 IGBT 發(fā)展的過(guò)程中，其功率損耗的問(wèn)題一直都是研究熱點(diǎn)。 2020 年有人提出了場(chǎng)中止 IGBT 結(jié)構(gòu) (Field stop IGBTFSIGBT)， FSIGBT 用離子注入的方法在 硅片背面先制造一個(gè) n+緩沖層，再注硼形成背 p+區(qū)，由于 n+緩沖層對(duì)耐壓的貢獻(xiàn)，使得 n基區(qū)可以做的較薄。但是 FSIGBT 的 n+緩沖層是在正面 MOSFET 結(jié)構(gòu)都制作完畢以后注入形成的，不可能進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間退火，因此 n+緩沖層的厚度極其有限，用如此薄的緩沖層作高壓器件的強(qiáng)電場(chǎng)中止層在物理上很不可靠，容易失效。正如文章作者自己所指出， FSIGBT 的擊穿電壓和漏電流都不易保證，所以在應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)是很不利的。 國(guó)內(nèi)外許多人對(duì)器件的損耗模型進(jìn)行了較為深入的模型。損耗模型的分類主要為兩大類：基于物理結(jié)構(gòu)的 IGBT 損 耗模型 (physicsbased)和基于數(shù)學(xué)方法的 IGBT 損耗模型。 基于物理結(jié)構(gòu)的 IGBT 損耗模型這種方法通過(guò)分析 IGBT\DIODE 的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部載流子的工作情況，采用電容、電阻、電感、電流源、電壓源等一些相對(duì)簡(jiǎn)單的元件模擬出 IGBT的特性，利用仿真軟件仿真 IGBT 在各種工作情況下電壓、電流波形，從而計(jì)算得到 IGBT的損耗。這種損耗模型的準(zhǔn)確程度取決于器件物理模型 的準(zhǔn)確程度，只有物理模型越接近實(shí)際工作情況的器件，才能保證仿真模型 近似于實(shí)際工作情況的器件， 仿真得到的損耗近似于實(shí)際損耗。目前比較常用的物 理模型主要為 :Hefner 模型、 Kraus 模型和 模型。 基于數(shù)學(xué) 方法 的建模 與器件的具體類型無(wú)關(guān)，它是基于大量數(shù)據(jù)的測(cè)量，試圖尋找出功耗與各個(gè)影響因素的數(shù)量關(guān)系。它的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快。但是由于它的工作是基于測(cè)量的，所以在準(zhǔn)確性和所需數(shù)值的測(cè)試次數(shù)上需要一個(gè)折中。 第二章 IGBT 結(jié)構(gòu)、工作原理和特性介紹 IGBT 結(jié)構(gòu)和工作原理 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。圖 1a 所示為一個(gè) N 溝 道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極 。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的 P 型區(qū)（包括 P+和 P區(qū)， 溝道在該區(qū)域形成） 稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的 P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。圖 1c為其電 氣圖形符號(hào)。 IGBT 的等效電路如圖 1b 所示。由圖可知，若在 IGBT 的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則 MOSFET 導(dǎo)通，這樣 PNP 晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管3 導(dǎo)通；若 IGBT 的柵極和發(fā)射極之間電壓為 0V,則 MOSFET 截止，切斷 PNP 晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。 圖 1 IGBT 的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào) IGBT 工作特性 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有轉(zhuǎn)移特性 、 伏安特性和開(kāi)關(guān)特性。 圖 2a所 示為 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流 CI 與柵射電壓 GEU 之間的關(guān)系，與電力 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性類似。開(kāi)啟電壓 ()GEthU 是 IGBT 能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。 ()GEthU 隨溫度升高而略微下降，溫度每升高 1176。 C，其值下降 5mV左右。在 25176。 C時(shí)， ()GEthU 的值一般為 26V。 圖 2b 所示為 IGBT 的伏安特性，也成輸出特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流 CI 與集射極間電壓 GEU 之間的關(guān)系。此特性與 GTR 的輸出特性相似，不同的是參考變量， IGBT 為柵射電壓 GEU ，而 GTR 為基極電流 BI 。 IGBT 的輸出特性也分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。這分別是與 GTR 的截 止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。此外，當(dāng) GEU 0 時(shí)， IGBT 為反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路中， IGBT 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換 圖 2 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 伏安特性 E GCN +N a)PN + N +PN + N +P +發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J 3 J2J1GEC+++IDRNICVJ1IDRonb )GCc )O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a ) b )ICUG E ( th)UGEOICURMUFMUCEUG E ( th)UGE增加4 動(dòng)態(tài)特性 圖 3給出了 IGBT 開(kāi)關(guān)過(guò)程的波形圖。 IGBT 的開(kāi)通過(guò)程與電力 MOSFET 的開(kāi)關(guān) 過(guò)程很相似，這是 IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來(lái)運(yùn)行的。 圖 3 IGBT 開(kāi)關(guān)過(guò)程 如圖所示，從驅(qū)動(dòng)電壓 GEU 的前沿上升至其幅值的 10%的時(shí)刻，到集電極電流 CI 上升至其幅值的 10%的時(shí)刻止，這段時(shí)間為開(kāi)通延遲時(shí)間 td(on)。而 CI 從 10% CMI 上升至 90% CMI 所需時(shí)間為電流上升時(shí)間 rt 。同樣，開(kāi)通時(shí)間 ont 為開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。開(kāi)通時(shí)，集射電壓 GEU 的下降過(guò)程分為 1fvt 、 2fvt 兩段。前者為 IGBT 中 MOSFET 單獨(dú)工作時(shí)電壓下降過(guò)程；后者為 MOSFET 和 PNP 晶體管同時(shí)工作時(shí)的電壓下降過(guò)程。由于 GEU 下降時(shí)IGBT 中 MOSFET 的柵漏電容增加，而且 IGBT 中的 PNP 晶體管由放大狀態(tài)轉(zhuǎn)入飽和狀態(tài)也需要一個(gè)過(guò)程因此 2fvt 段電壓下降過(guò)程變緩。只有在 2fvt 段結(jié)束時(shí)， IGBT 才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。 IGBT 關(guān)斷時(shí)，從驅(qū)動(dòng)電壓 GEU 的脈沖后沿下降到其幅值的 90%的時(shí)刻起，到集電極 電流下降到 90% CMI 止，這段時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間 ()dofft ；集電極電流從 90% CMI 下降至 10% CMI的這段時(shí)間為電流下降時(shí)間。二者之和為關(guān)斷時(shí)間 offt 。電流下降時(shí)間可以分為 1fvt 和 2fvt 兩段。其中 1fvt 對(duì)應(yīng) IGBT 內(nèi)部的 MOSFET 的關(guān)斷過(guò)程，這段