基于PSpice的IGBT擎住效應(yīng)的仿真教學分析

陽璞瓊 單長虹 張 瑩 陳文光

南華大學 湖南衡陽 421001

電力電子技術(shù)是一門高科技專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。經(jīng)過近二三十年的飛速發(fā)展，電力電子裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，將深化對傳統(tǒng)電力工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的節(jié)能降耗改造，電力電子技術(shù)必將起到更加重要的作用。

以開關(guān)方式工作的電力半導體器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，器件的更新?lián)Q代決定了電力電子電路水平，從而決定電力電子裝置性能；新器件和新控制方法不斷出現(xiàn)，促進了電力電子技術(shù)的發(fā)展。所以，在教學時應(yīng)根據(jù)電力電子技術(shù)的最新前沿發(fā)展，對教學內(nèi)容進行組織和篩選，加強電力半導體器件知識、基本電路分析方法以及實用電路等的學習，做到理論與實際密切結(jié)合。

1 IGBT的物理結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 物理結(jié)構(gòu)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管(BJT)和絕緣柵型場效應(yīng)管(MOS)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管(GTR)的低導通壓降兩方面優(yōu)點[1]。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。它作為一種新型電力電子器件，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為最重要的器件之一。

IGBT的元胞結(jié)構(gòu)[2]與VDMOS相類似，其不同點在于IGBT是在N溝道VDMOS的N+基板(即VDMOS的漏極)上增加了一個P+基板作為IGBT的集電極，形成PN結(jié)J1，由此引出的柵極和源極則與VDMOS完全相同(如圖1所示)。P+區(qū)又稱為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，起集電極的作用，向N+區(qū)注入空穴，進行電導調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。使得高耐壓的IGBT同時也擁有較低的通態(tài)壓降，具有很強的通流能力；斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

圖1 IGBT元胞結(jié)構(gòu)剖面圖

襯底到發(fā)射極構(gòu)成一個PNP型晶體管，其基極到發(fā)射極由NMOS管控制。如果在柵極加上開啟電壓，形成N導電溝道，就可向PNP晶體管提供基極電流，PNP管發(fā)射極P+區(qū)按比例向N-區(qū)注入空穴，形成IGBT的集電極電流。IGBT可以等效為NMOS與PNP晶體管構(gòu)成的達林頓結(jié)構(gòu)[3]。另外，該結(jié)構(gòu)里還寄生著一個NPN型晶體管，即以N+區(qū)為發(fā)射極，P井區(qū)為基極，N漂移區(qū)為集電極。位于發(fā)射極之下的P井區(qū)的電阻被稱為P井區(qū)橫向電阻Rs，Rs的存在是引發(fā)擎住效應(yīng)最重要的原因。這個寄生的NPN型晶體管與前面的PNP型晶體管一起構(gòu)成了一個晶閘管結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。

圖2 含寄生晶閘管的IGBT等效電路

1.2 工作原理

1.2.1 反向阻斷

當集電極被施加一個反向電壓，PN結(jié)J1(內(nèi)部PNP管的發(fā)射結(jié))反偏，耗盡層向N-區(qū)擴展，此時，IGBT處于反向阻斷工作模式，并且具有較高的耐壓能力。

1.2.2 關(guān)斷/正向阻斷

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)，IGBT處于關(guān)斷模式。如果此時柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓，PN結(jié)J2反偏。此時，IGBT處于正向阻斷工作模式，仍然是由N-漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

1.2.3 導通

當集電極施加正向電壓，且柵壓高于門限值時，IGBT柵極下方的P井區(qū)形成一個N型導電溝道，將N-漂移區(qū)與IGBT的發(fā)射極下方的N+區(qū)連起來。大量的電子通過導電溝道從發(fā)射極注入N-漂移區(qū)，成為內(nèi)部PNP型晶體管的基極電流，同時也會降低N-漂移區(qū)的電位，由于J1結(jié)正偏，大量的空穴由P+注入?yún)^(qū)漂移到N-漂移區(qū)。注入N-漂移區(qū)的空穴通過漂移和擴散兩種方式通過漂移區(qū)，最后到達P井區(qū)。當空穴進入P井區(qū)以后，吸引了大量來自發(fā)射極接觸的金屬的電子，這些電子注入P井區(qū)，并迅速與空穴復合，形成器件的導通電流，IGBT處于正向?qū)顟B(tài)。

2 擎住效應(yīng)

如圖2所示，NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在著P井區(qū)橫向電阻Rs，P型體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結(jié)施加一個正向偏壓。在額定集電極電流范圍內(nèi)，這個偏壓很小，不足以使J3開通，然而一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，導致集電極電流增大，造成器件功耗過高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤銷觸發(fā)信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)[4]。

引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，也可能是duce/dt過大(動態(tài)擎住效應(yīng))，溫度升高也會加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險。動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。

擎住效應(yīng)的產(chǎn)生必須具備以下兩個條件：

(1)觸發(fā)電流IG在P井區(qū)橫向電阻Rs上產(chǎn)生的壓降大于NPN管的發(fā)射結(jié)正向?qū)▔航?，即：IGRS≥Vbe(NPN)(Vbe(NPN)為NPN管的發(fā)射結(jié)正向?qū)妷?。

(2)兩個晶體管NPN和PNP的共基極電流增益之和必須大于1，在外部觸發(fā)電流IG消失后，兩個等效晶體管過飽和而自持導通，即：αNPN+αPNP≥1。

當溫度升高時，晶體管的電流放大系數(shù)增大，將加重IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)的危險。

3 PSpice仿真建模

PSpice能夠把仿真與電路原理的設(shè)計緊密地結(jié)合在一起，廣泛應(yīng)用于各種電路分析，可以滿足電力電子電路動態(tài)仿真的要求[5,6]。其元件模型的特性與實際元件的特性十分相似，因而它的仿真波形與實驗電路的測試結(jié)果相近，對電路設(shè)計有重要指導意義。

依據(jù)上述分析，建立如圖3所示的IGBT擎住效應(yīng)的基于PSpice10.5的仿真電路模型[5]。其中，N-漂移區(qū)的電阻(PNP晶體管的基極電阻)Rd取典型值0.02 Ω；P井區(qū)橫向電阻(寄生NPN雙極型晶體管的基極—發(fā)射極之間的電阻)Rs典型值為幾毫歐姆，由于受仿真軟件的限制取值為0.015 Ω；MOSFET管的柵極控制電壓Vpluse為5 V，500 Hz的方波電壓。

圖3 基于PSpice的IGBT擎住效應(yīng)的仿真電路圖

負載電阻R取值為10 Ω時，利用PSpice的Time Domain瞬態(tài)分析參數(shù)仿真，得到如圖4所示的仿真波形。此時，電流I嚴格地受到柵極電壓V的控制：柵極電壓為高電平時，電流約為21 A；柵極電壓為低電平時，電流為0，二者皆為標準的方波。

圖4 負載電阻R取值為10 Ω的仿真波形

負載電阻R取值為1 Ω時的Time Domain瞬態(tài)分析參數(shù)仿真波形如圖5所示。此時的集電極電流已經(jīng)超過了允許值，等效的IGBT電路發(fā)生了擎住效應(yīng)，集電極電流I已經(jīng)不受柵極電壓控制，只是隨柵極電壓有小幅的波動。

圖5 負載電阻R取值為1 Ω的仿真波形

4 結(jié)束語

將計算機仿真技術(shù)引入電力電子技術(shù)的教學中，具有經(jīng)濟、安全、快捷等優(yōu)點，有助于學生從直觀、實踐等方面更好地掌握相關(guān)的知識，收到事半功倍的效果。教學實踐表明，PSpice軟件效果很好，而且使用方便、精確度高、功能全面，是優(yōu)秀的電力電子仿真軟件之一，也是國際國內(nèi)高校教學中廣泛使用的電路仿真軟件。

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