IGBT開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性與電熱仿真模型

唐 勇 汪 波 陳 明

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

IGBT是一種綜合了功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙極型功率晶體管（BJT）兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件，它輸入極為MOSFET，輸出極為PNP型晶體管，且同時具有二者易驅(qū)動，通態(tài)壓降小，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1-3]。自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來，IGBT已經(jīng)涵蓋了 600～6500V的電壓范圍和 1～3600A的電流范圍[4]，并在低功耗、高可控性方面取得了巨大進(jìn)步，被廣泛應(yīng)用于各種中、大功率的電力電子裝置中，是目前應(yīng)用最為廣泛的全控型電力電子器件[5-7]。

由于半導(dǎo)體的材料特性受溫度的影響顯著，半導(dǎo)體電子器件的工作特性也將隨溫度發(fā)生較大改變[8,9]。IGBT作為電能變換裝置中的主功率器件，工作時的導(dǎo)通電流和阻斷電壓都很大，在穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)瞬態(tài)過程中產(chǎn)生的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗比一般微電子器件也要大得多，在短時間內(nèi)就將產(chǎn)生很大功耗，從而導(dǎo)致器件結(jié)溫大幅上升并且波動顯著，這種溫度的劇烈變化又會進(jìn)一步引起 IGBT的工作特性發(fā)生較大改變，也就是說 IGBT的電氣特性與溫度間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系[10,11]。仿真模型是指導(dǎo)IGBT制造與使用的重要工具[12-14]。由于這種強(qiáng)耦合關(guān)系的存在，單一溫度下的模型分析方法也已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映溫度不斷發(fā)生變化時的 IGBT工作特性，而需要將其擴(kuò)展為能夠反映不同溫度下器件工作特性的電熱模型，從而實現(xiàn) IGBT工作特性的精確仿真。此外，IGBT的電熱模型還可以進(jìn)一步與描述器件傳熱特性的傳熱模型相結(jié)合，開展電- 熱的聯(lián)合仿真，從而準(zhǔn)確描述 IGBT電氣特性與芯片結(jié)溫的耦合變化過程[15-17]。

本文首先對不同溫度下 IGBT的開關(guān)瞬態(tài)過程進(jìn)行了測試，通過對測試結(jié)果以及 IGBT開關(guān)過程的分析，得出了開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性主要是受內(nèi)部載流子壽命影響的結(jié)論，從而進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的IGBT電熱模型方法。最后，基于該模型對IGBT關(guān)斷時的電流拖尾，以及完整的開關(guān)過程進(jìn)行了電熱仿真分析，通過實驗波形和仿真波形的比較，驗證了該模型的準(zhǔn)確性。

2 IGBT開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性

2.1 溫度對IGBT開關(guān)瞬態(tài)的影響

IGBT的半導(dǎo)體物理常數(shù)與器件內(nèi)部參數(shù)，包括載流子遷移率、本征激發(fā)濃度、過剩載流子壽命、柵極門檻電壓以及跨導(dǎo)等，都會隨溫度的變化而發(fā)生改變[8,9]，從而導(dǎo)致IGBT的通態(tài)壓降、關(guān)斷電壓尖峰、電流拖尾時間和開關(guān)速度等性能指標(biāo)都發(fā)生變化，壽命與可靠性通常也會隨工作溫度的升高而降低[10,11]。一般來說，IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的溫度特性比較簡單，通常 IGBT手冊中都給出了不同溫度下的輸出特性曲線，從中可以很方便地得到不同溫度下的IGBT通態(tài)壓降值。相對而言，IGBT的開關(guān)瞬態(tài)特性與溫度的關(guān)系就要復(fù)雜得多，開關(guān)瞬態(tài)過程中的開關(guān)時間、拖尾電流與電壓尖峰等都會隨溫度變化發(fā)生較大改變，而且IGBT手冊中一般都只給出了某一典型溫度下的開關(guān)時間，并未對不同溫度下的器件開關(guān)特性進(jìn)行說明。因此，本文主要針對 IGBT開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性開展了研究，首先對不同溫度下的開關(guān)瞬態(tài)過程進(jìn)行了實際測試。

2.2 開關(guān)瞬態(tài)溫度特性的測試與分析

測試實驗中，采用了型號分別為FF200R06KE3和GD50HEL120C1S的兩種IGBT模塊。前者為一般市場上可以采購到的商業(yè)模塊，有外殼封裝，內(nèi)部芯片表面還覆蓋有一層硅膠；后者為在 IGBT工廠專門定做的未封裝模塊，內(nèi)部芯片裸漏在外。對于已封裝好的 FF200R06KE3模塊，采用一套帶恒溫控制的底板加熱設(shè)備，控制溫度恒定在設(shè)定值并加熱較長時間，從而保證內(nèi)部芯片溫度加熱到設(shè)定溫度。對于未封裝的GD50HEL120C1S模塊，由于芯片裸漏在外，采用紅外熱像儀直接測量芯片溫度，測試模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GD50HEL120C1S型IGBT模塊Fig.1 GD50HEL120C1S IGBT

將IGBT芯片溫度分別設(shè)定為25℃、50℃、75℃和 100℃，對其導(dǎo)通和關(guān)斷瞬態(tài)的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并將測量得到的波形輸入MathCad數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行比較。兩種 IGBT在不同電壓和電流的工作條件下進(jìn)行了多組實驗，都得到了相同的結(jié)果。其中GD50HEL120C1S模塊在不同溫度下的開關(guān)波形如圖2所示。

圖2 開關(guān)瞬態(tài)測試波形Fig.2 Test waveforms of switch transient

從圖2中可以看出，不同溫度下的導(dǎo)通瞬態(tài)波形都基本一致，而關(guān)斷瞬態(tài)波形在不同溫度下出現(xiàn)了較大差別，關(guān)斷電流的下降趨勢隨溫度的升高而變得緩慢，關(guān)斷時電流拖尾的過程也延長，同時關(guān)斷電壓的上升過程隨溫度升高同樣也變緩，電壓尖峰降低。

基于 IGBT工作機(jī)理與模型理論對測試現(xiàn)象進(jìn)行了分析。在 IGBT的關(guān)斷過程中，當(dāng)柵極電壓低于其門檻電壓后柵極導(dǎo)電溝道消失，外部電子停止注入，IGBT內(nèi)部的過剩載流子由于自身的復(fù)合作用逐漸減少，導(dǎo)致 IGBT的導(dǎo)通電流也逐步減小，復(fù)合速度由 IGBT內(nèi)部載流子壽命參數(shù)決定，壽命值越大，復(fù)合過程越長，電流拖尾過程也越長。由于過剩載流子壽命將隨溫度升高而增大，從而將導(dǎo)致關(guān)斷時的電流下降過程變得緩慢，電流拖尾過程也被延長，同時也導(dǎo)致電壓上升變緩，電壓尖峰降低。IGBT的開通過程開始于柵極電壓高于門檻電壓，此時柵極導(dǎo)電溝道形成，過剩電子從溝道注入，同時過?？昭ㄒ矎牧硪欢俗⑷?，最終在基區(qū)形成穩(wěn)定的過剩載流子分布。這一過程相對較短暫，并且由于有大量外部過剩載流子的不斷注入，過程中內(nèi)部復(fù)合作用影響較小，因此溫度對于開通過程的影響也較小。

通過以上的分析得出結(jié)論，IGBT的開關(guān)瞬態(tài)過程受內(nèi)部過剩載流子壽命參數(shù)的影響最為顯著，當(dāng)壽命參數(shù)隨溫度的升高而增大后，將導(dǎo)致過剩載流子的復(fù)合速度變慢，從而引起關(guān)斷過程變緩慢，電流拖尾時間延長，關(guān)斷電壓尖峰減小。

3 一種改進(jìn)的IGBT電熱模型

3.1 IGBT電熱模型的基本原理

在以上實驗中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，IGBT的關(guān)斷瞬態(tài)隨溫度發(fā)生了較大變化，由此可見，為對此過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述，必須建立能夠反映 IGBT不同溫度下工作特性的電熱模型。IGBT的工作特性隨溫度的改變從本質(zhì)上說是由于半導(dǎo)體材料的物理特性隨溫度發(fā)生了變化，從數(shù)學(xué)模型的角度來看，也就是模型參數(shù)隨溫度發(fā)生了變化，因此可以把 IGBT的溫度特性歸結(jié)為模型參數(shù)的溫度相關(guān)特性。只要把不同溫度下的參數(shù)值帶入已建立的模型計算，就可以對IGBT的溫度特性開展仿真研究，從而也將單一溫度下的電氣模型擴(kuò)展為能夠反映 IGBT不同溫度下工作特性的電熱模型。

IGBT的電熱模型不僅可以對IGBT的溫度特性進(jìn)行仿真，還可以聯(lián)合 IGBT模塊的傳熱模型，開展動態(tài)的電-熱耦合仿真。在耦合仿真過程中，IGBT電熱模型接收從傳熱模型傳遞過來的瞬時結(jié)溫參數(shù)，計算得到各個溫度相關(guān)參數(shù)在該溫度下參數(shù)值，再通過模型方程組計算出一定外部電路下 IGBT各個端口的的瞬時電壓、電流等工作狀態(tài)，從而得到IGBT瞬時功耗參數(shù)并將其傳遞給傳熱模型，通過IGBT模塊的傳熱模型計算得到溫度分布與瞬時結(jié)溫參數(shù)。兩個模型通過結(jié)溫與功耗的相互傳遞，實現(xiàn)了電-熱的耦合仿真，從而得到IGBT的瞬時工作結(jié)溫以及不同溫度下的工作狀態(tài)[15-17]。電-熱耦合仿真的流程圖如圖3所示。

圖3 電-熱耦合仿真流程圖Fig.3 Flow chart of electro-thermal simulation

IGBT電熱模型仿真中的溫度相關(guān)參數(shù)有兩類：第一類為材料的半導(dǎo)體物理常數(shù)，如電子和空穴的遷移率、擴(kuò)散系數(shù)以及本征激發(fā)濃度等，這些參數(shù)在不同溫度下的參數(shù)值一般都可以從半導(dǎo)體材料手冊上查到[8,9]；另一類為器件的內(nèi)部參數(shù)，主要有過剩載流子壽命、門檻電壓、跨導(dǎo)和發(fā)射極電子飽和電流四個參數(shù)。對于這類參數(shù)的溫度特性，目前采用的方法主要有兩種：一是通過大量的測試實驗，如經(jīng)典的Hefner模型[15]，需要通過多組不同溫度下的參數(shù)提取實驗，提取得到不同溫度下的參數(shù)值，再將它們代入模型進(jìn)行計算，由于涉及到的溫度相關(guān)參數(shù)較多，過程較為復(fù)雜；另外一種方法就是采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[16,17]，這種方法比較簡單，但是得到的結(jié)果很粗略，模型準(zhǔn)確度不高。

3.2 一種改進(jìn)的IGBT電熱模型方法

本文作者已經(jīng)建立了一種單一溫度下的 IGBT開關(guān)瞬態(tài)模型[18]，并實現(xiàn)了模型仿真所需器件內(nèi)部參數(shù)的準(zhǔn)確提取[19-21]。通過 1.2節(jié)的實驗和分析，發(fā)現(xiàn) IGBT開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性主要是受其載流子壽命參數(shù)的影響，根據(jù) IGBT的這一特性，本文進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的電熱模型方法。該模型的基本原理與已有方法類似，都是把溫度相關(guān)參數(shù)在不同溫度下的參數(shù)值帶入建立的電氣模型進(jìn)行運(yùn)算。不同的是，改進(jìn)模型對于對開關(guān)瞬態(tài)影響最大的載流子壽命參數(shù)采用的是實驗方法，通過實際測試進(jìn)行準(zhǔn)確提取。而對于其他相對來說影響較小的溫度相關(guān)參數(shù)，采用的是半導(dǎo)體手冊中給出的數(shù)值或通過經(jīng)驗公式計算得到。這種方法建立的電熱模型構(gòu)建簡單，同時也具有較高的精度。

采用本文作者在文獻(xiàn)[20,21]中提出的 IGBT載流子壽命提取方法與測試電路，針對 FF200R06KE3型IGBT模塊，控制芯片結(jié)溫為25℃、50℃、75℃和 100℃時，分別進(jìn)行了壽命參數(shù)提取。提取得到的IGBT內(nèi)部N-基區(qū)和FS層的載流子壽命值與溫度關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 過剩載流子壽命溫度特性Fig.4 Temperature characteristic of IGBT carrier lifetime

4 模型仿真與驗證

4.1 IGBT溫度相關(guān)參數(shù)的仿真分析

基于本文作者在文獻(xiàn)[19-21]中提出的 IGBT參數(shù)提取方法，分別提取了溫度相關(guān)參數(shù)在溫度為25℃和 100℃時的參數(shù)值，代入已建立的 IGBT開關(guān)瞬態(tài)模型[18]，計算得到的電壓、電流波形如圖 5所示。圖中波形1采用溫度為25℃時的參數(shù)值計算得到；波形2為同時改變門檻電壓、跨導(dǎo)和發(fā)射極電子飽和電流參數(shù)為 100℃的參數(shù)值，而載流子壽命不變計算得到；波形 3為改變壽命為 100℃的參數(shù)值，其他溫度相關(guān)參數(shù)不變計算得到。

圖5 關(guān)斷瞬態(tài)仿真測試波形Fig.5 Simulation waveforms of turn-off transient

從圖5中可以看出，波形1與波形2區(qū)別不大，而波形3與波形1、波形2相比發(fā)生了較大改變，關(guān)斷過程變得緩慢，電壓尖峰也減小。通過仿真進(jìn)一步驗證了上一節(jié)得出的結(jié)論，IGBT關(guān)斷瞬態(tài)的溫度特性主要是受載流子壽命的影響，而其他溫度相關(guān)參數(shù)的影響相對很小。

4.2 電流拖尾階段的解析模型

相對于整個開關(guān)過程而言，IGBT關(guān)斷時刻的電流拖尾階段較為簡單，可以得到描述其過程的解析表達(dá)式。本文在已建立的場終止型 IGBT開關(guān)瞬態(tài)模型[18]的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了場終止型IGBT電流拖尾階段的解析表達(dá)式，并采用改進(jìn)的電熱模型方法，對其溫度特性進(jìn)行了仿真研究。

在文獻(xiàn)[18]中已經(jīng)建立了場終止型IGBT中FS層的空穴電流表達(dá)式

式中，IT為總的導(dǎo)通電流；IPH為FS層的空穴電流；bH為FS層內(nèi)電子遷移率μN(yùn)H與空穴遷移率μPH之比；DH=)為雙極擴(kuò)散系數(shù)，其中DNH和 DPH分別為電子和空穴擴(kuò)散系數(shù)；q為電子電荷量；A為芯片有效導(dǎo)電面積；WH為FS層寬度；PH0和 PHW為 FS層兩個邊界處的空穴濃度。根據(jù)文獻(xiàn)[22,23]中的分析，在電流拖尾階段電子電流已消失，總的導(dǎo)通電流就等于空穴電流，同時流經(jīng) FS層和N-基區(qū)的空穴電流也相等，即 IT= IPH= IPL，因此由式（1）可得

式中，WL為準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；PL0為N-基區(qū)靠近FS層邊緣處的空穴濃度。根據(jù)文獻(xiàn)[22,23]的分析，在拖尾階段可近似認(rèn)為 N-基區(qū)的過剩載流子濃度為三角形分布，而 FS層內(nèi)的濃度為梯形分布，因此可將N-基區(qū)和FS層內(nèi)總的電荷QL與QH分別表示為

將式（3）與式（4）相加，可得 IGBT總的電荷量QT

將式（2）代入式（5），再根據(jù)FS層與N-基區(qū)交界處的準(zhǔn)熱平衡關(guān)系≈/ NH（NH為FS層摻雜濃度），可得

由式（6）可將 PL0用 QT表示，再將其代入式（2），可將IT與QT的關(guān)系表示為

文獻(xiàn)[22,23]中已經(jīng)給出了dQT/dt的表達(dá)式，在電流拖尾階段電子電流已消失，可將其簡化為

式中，τL、τH分別為 N-基區(qū)和 FS層內(nèi)的過?？昭▔勖籲i為本征激發(fā)濃度；Isne為發(fā)射極飽和電流。

將式（2）～式（4）代入式（8），可得

再將式（7）代入式（9），可得

代入初始值 I(0) 對式（10）進(jìn)行求解，可將IGBT關(guān)斷時刻拖尾階段的電流解析式表示為

采用本文提出的電熱模型方法，τL與τH采用圖4所示實驗提取的數(shù)值，其他溫度相關(guān)參數(shù)采用手冊中的數(shù)值或通過經(jīng)驗公式計算，初始值I(0) 采用實際測試值，根據(jù)式（11）計算得到的拖尾電流波形與實際測試波形比較如圖6所示。圖中實線為實試波形，虛線為采用式（11）計算得到的波形。圖6a為未考慮載流子壽命隨溫度的變化，在溫度為100℃時仍采用 25℃時的壽命值計算得到的波形；圖6b為考慮了溫度的變化，采用100℃時的壽命值計算得到的波形。

圖6 拖尾電流計算與實測波形比較Fig.6 Comparison for simulation and testing result of IGBT turn-off current

從圖6中可以看出，圖6a由于未考慮載流子壽命隨溫度的變化，100℃時的計算結(jié)果與實測波形出現(xiàn)了較大偏差；圖6b采用100℃時提取的壽命值進(jìn)行計算，采用式（11）計算得到的拖尾波形與實測波形吻合很好，隨溫度升高電流下降速度變緩，電流拖尾過程明顯延長。模型計算結(jié)果既驗證了電流拖尾解析式的準(zhǔn)確，也進(jìn)一步驗證了本文得出結(jié)論和電熱模型方法的準(zhǔn)確性。

4.3 開關(guān)瞬態(tài)過程的電熱仿真

基于本文建立的IGBT模型方程組[18]，采用本文提出的電熱模型方法，可以對不同溫度下IGBT開關(guān)瞬態(tài)的完整過程進(jìn)行仿真計算。針對 FF200R06KE3型IGBT模塊，載流子壽命值采用了圖4所示實驗提取的數(shù)值，其他溫度相關(guān)參數(shù)采用手冊中的數(shù)值或通過經(jīng)驗公式計算，溫度分別為50℃和100℃時的完整開關(guān)瞬態(tài)實測波形和仿真波形比較如圖7所示。

從圖7中可以看出，仿真結(jié)果除電壓尖峰的回落階段外，其他波形與實測波形都吻合很好，這種偏差主要是由于在出現(xiàn)電壓尖峰的電流拖尾階段，IGBT內(nèi)總的電荷量已經(jīng)很小且大部分都被掃入了FS層中，基區(qū)中已不滿足大注入條件，仿真得到的電壓下降速度比實測要快一些[18]。

另一方面，從圖中可以看出仿真結(jié)果與實測現(xiàn)象相符，關(guān)斷過程都是隨溫度升高而變得緩慢，電流拖尾延長，電壓尖峰下降，而導(dǎo)通過程同樣受溫度的影響不大，從而也驗證了本文得出結(jié)論和電熱模型方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文通過實際測試與分析，得出了 IGBT開關(guān)瞬態(tài)過程的溫度特性主要是受內(nèi)部過剩載流子壽命影響的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的 IGBT電熱模型方法，從而將單一溫度下的電氣模型擴(kuò)展為了能夠反映不同溫度下 IGBT工作特性的電熱模型。最后，通過仿真波形與實測波形的比較，驗證了本文得出的結(jié)論以及建立的模型具有參數(shù)計算簡單與準(zhǔn)確度高的優(yōu)點。

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