（检测技术与自动化装置专业论文）基于pspice的igbt器件模型及功率损耗的仿真研究.pdf

论文题目：基于p s p i c e 的i g b t 器件模型及功翠琐耗的仿真研冤 专业；检测技术与自动化装置 硕士生：王瑞( 签名)至垩塾 指导教师：马宪民( 签名) 墨么 刘树林( 签名)劾幺避 摘要 半导体器件是电力电子技术的基础，一种新型器件的诞生往往使整个电力电子行业 的面貌发生巨大改观，促进电力电子技术飞速发展。绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 综合 了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管的多项优点，因而在中大功率领域有着广泛的应 用。但是，随着对i g b t 高电压大容量越来越高的要求，i g b t 电压和电流容量远远不 能满足电力电子应用技术发展的需求。国内商用的高压大电流i g b t 器件至今尚未出现， 且现行的制造工艺远逊于国外，因此研制高电压大容量的i g b t 迫在眉睫；再者，开关 电路的效率主要取决于器件的功率损耗，且器件的功率损耗在实际应用中的的指导意义 越来越突出，所以对于i g b t 器件功率损耗的研究也是至关重要的。 计算机仿真以理论、数值计算方法和计算机为基础，通过运行具体仿真模型和分析 计算机输出信息，来实现对真实系统设计结构的改善与优化。它作为一种强大的技术手 段已被广泛应用于各种元器件设计中。 文中分析了电力电子器件的特点和发展趋势，详细分析了新型电力电子器件i g b t 的结构、特性、开通关断机理及应用前景；着重以p s p i e e 软件作为仿真平台，在p s p i c e 环境下建立了i g b t 器件的静态和动态模型，该模型具有足够的计算精度和计算速度， 是掌握i g b t 特性的有效工具。并详细分析了模型结构、参数配置和一些参数的求解过 程，同时结合实际器件i r g b 3 0 8 6 0 k 型i g b t 进行了对比，得出两者测试波形基本相吻 合，数据几乎一致，由此证明了模型的正确性。另外，对所建i g b t 器件模型的功率损 耗进行了深入的分析与计算，将理论数据与实际器件i r g b 3 0 8 6 0 k 的数据相比较，也证 明了模型的正确性和实用性。综上说明本论文所设计的i g b t 模型业已达到了预期的设 计指标，能够用于指导i g b t 器件的试制和某些实际i g b t 器件的结构、特性及其电路 系统的研究。 关键词：i g b t ；仿真；模型；功率损耗 研究类型；应用研究 s u b j e c t ：t h es i m u l a t i o ns t u d yo fi g b tm o d e la n dp o w e rl o 鹳b a s e d o np s p i c e s p e c i a l t y ：d e t a c h i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：w a n gr u i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：m ax i a n - m i n ( s i g n a t u r e ) l i t is h u - l i n ( s i g n a t u r e ) 尘盘主匕k 2 a b s t r a c t t h es e m i c o n d u c t o rd e v i c ei st h eb a s i so fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e an e w - d e v i c e a p p e a r i n gi nt h ew o d dm a k e st h ew h o l ep o w e re l e c t r o n i c sc h a n g ea p p e a r a n c e se n o r m o u s l y a n dm a k e sp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yd e v e l o pa p e e d i l y b e c a u s et h ei n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ( i g b r ) p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g eo f p o w e rm o s f e ta n db j t ，( f o re x a m p l e ，h i g h m p u tr e s i s t a n c e ，q u i c ks w i t c h 印e o d ，w i d es o a , e r e ) i th a sg o te x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni n m i d d l ea n dh i g hp o w e rd o m a i n b u t , v o l t a g ea n dc u r r e n tc a p a c i t yo fe x i s t i n gi g b t 啪、 s a t i s f yf a ra n df a rt h en e e do fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u ed e v e l o p i n g a sy e t , h i g hv o l t a g e l a r g ec u r r e n ti g b tt h a tu s e di nc o m p a n yd on o ta p p e a ri no u rc o u n t r y , a n dc m r e n t m a n u f a c t u r i n gc m f tt r a i l e df a rf r o ma b r o a d , s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h eh i g h v o l t a g ea n db i gc u r r e n ti g b t ；f u r t h e r m o l ，t h ee f f i c i e n c yo fs w i t c hc i r c u i tt i c so rt h ep o w e r l o s so f d e v i c e w h o s e l e a d i n gm e a n i n gi sn l o f ea n dm o r go u t s t a n d i n gi nt h en e r l a la p p l i c a t i o n , s oi ti sa l s ov e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ep o w e rl o s so f d e v i c e s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n , w h i c hi sb a s e do nc i r c u i tt h e o r y , t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d a n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , r e a l i z e sd e s i g nc o n s t r u c t i o ni m p r o v i n ga n d o p t i m i z i n go f a c t u a l s y s t e mt h r o u g hr u n n i n gm a t e r i a ls i m u l a t i o nm o d e la n da n a l y z i n gam a s so fi n f o r m a t i o n i ti s u s e di nk i n d so f d e v i c od e s i g nw i d e l ya sa s t r o n gt e c h n o - m e a n s i nt h i st h e s i s , t h ec h a r a c t e ra n dd e v e l o p i n gt r e n do fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c ea n di g b t i sa n a l y z e d , i ti n t r o d u c e st h es i m u l a t i o ns o f f w a r e s p s p i e eu s e di ne l e c t r o n i c sf i e l d a s i m u l a t i o nm o d e lo fi g b ti sd e s i g n e di np s p i c e n 掂s i m u l a t i o nm o d e lh a se n o u g hc e r t a i n a c c u r a c ya n dh i g hs i m u l a t i o ns p e e d n l cs t r u c t u r e p a r a m e t e r sd e t e r m i n a t i o no ft h em o d e li s g i v 饥，a n dt h ed cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r cs t u d i e d c o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ha c t u a ld e v i c e 瓜g b 3 0 8 6 0 k a l lc h a r a c t e r i s t i c sa l ei d e n t i c a l i ts h o w s t h a tt h em o d e li sa c c u r a t e e s p e c i a l l y , t h ep o w e rl o s so fi g b tm o d e li sa n a l y z e da n d c a l c u l a t e di nd e t a i l s c o m p a r i n gt h ea c a d e m i cs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ha c t u a ld e v i c e i r g b 3 0 8 6 0 ki nt h es a m ew a y , i ta l s os h o w st h a tt h em o d e li sa c c u r a t ea n da p p l i e d t os u m u p ，i nt h i sp 叩t h em o d e lo fi g b th a sa l r e a d ya c h i e v e dt h ea n f i c i p a n td e s i g nt a r g e t i tc 趾 b eu s e dt o 础t h e 喇p r o d u c i n ga n dr e s e a r c ho f s o m ea c t u a li g b td e v i c e s k e y w o r d s ：i g b tc h a r a c t e r i s t i c sm o d e ls i m u l a t i o np o w e rl o s s 妻错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：五动移日期： p 趵 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：毛锦 指导教师签名： 诎_ ) 年舻月加日 1 绪论 l 绪论 1 1 引言 1 1 i 电力电子技术的现状与发展趋势 电力电子技术就是电力电子学又称功率电子学，电力电子技术是由电力半导体器 件、电力半导体变流技术和控制技术三部分组成，研究的是电力的处理和变换，服务于 电能的产生、输送、变换和控制。它主要利用电力半导体器件把电能( 包括其电压、电 流、频率、相位等) 从一种形式变换成另一种形式，来满足用电设备的各种需要，以达 到最佳利用电能的目的，也就是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的一 门技术性科学。电力半导体器件是电力电子技术的基础，一种新型器件的诞生往往使整 个电力电子面貌发生巨大改观，促进电力电子技术向前发剧1 h 3 】。 1 9 j i 7 年，第一只晶体管的诞生，为电子电路的集成化和数字化奠定了重要的物理基 础。晶体管的发明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事件，亦开创了电子技术发展 的一个崭新的时代一固体电子技术时代 4 1 。在随后的一段时间里，随着工业的飞速发展， 特别是自动化技术的不断进步，人们对器件耐压以及电流容量提出了越来越高的要求， 势必要求人们对半导体材料性质及器件物理性能作更深入的研究，这进一步催生了新型 大功率器件的出现。1 9 5 7 年第一只晶闸管的问世标志着电力电子技术的诞生。事实上， 电力电子技术早在2 0 世纪初就已出现，但当时很杂乱，不能称为真正的学科p j 。上世纪 5 0 年代后期到6 0 年代，电力电子技术才真正成为一门学科，其催化剂正是晶体管的发 明以及大功率晶闸管和门极可关断晶体管( g 1 d ) 的出现。 晶闸管诞生以后，电力电子技术开始向两个不同的方向发展：一是以晶体管集成电 路为核心的微电子技术，其发展方向为愈来愈高的集成度、越来越小的器件、越来越快 的速度、越来越大的规模、越来越全的功能、越来越高的可靠性以及越来越低的成本， 这一方向以微处理器( m i c r o 口1 1 。c l e s s o r ) 为代表；另一个发展方向则是以晶闸管为核心的 电力电子技术，其发展方向为越来越高的耐压及电流容量、越来越快的开关速度、越来 越高的可靠性以及越来越低的成本 6 1 1 7 1 。前者以能够快速处理大批量数据为主要特征， 而后者则主要应用于电力的传输、变换及配送，机车牵引、智能控制及工业节能等方面。 而今，电力电子技术己发展成为一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电 子技术、自动控制技术等多种学科的边缘交叉学科，是现代科技发展的主力军。从简单 的交流电力控制到电力电子开关；从顺变到逆变，民用已十分普及；工业用的各种拖动 机械；其它如直流输电、有源滤波，改善功率因数、不停电电源，感应加热，超导储能， 西安科技大学硕士学位论文 核能利用，激光的产生与应用、水利发电、地热发电、风力发电和太阳能发电等都用到 电力电子。无论对传统工业( 机械、矿冶、电力、交通、化工、轻纺等) 的改造，还是 对高新技术产业( 通信、航天、激光、机器人等) 的发展都至关重要。随着科学技术的 发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域 密切相关 7 1 1 8 。目前，它已逐步发展成为- - f l 包含更多学科的综合性技术学科。 我国对电力电子方面国际新技术动态的消息来源并不缓慢，投入也很迅速，现在对 新技术的开发更正规化了，今后电力电子会在我国更快地发展，对社会作出更大的贡献。 1 1 2 功率器件i g b t 的现状与发展趋势 随着电力电子技术进一步向高频的大功率用电领域发展，当代电力电子技术领域中 所使用电路的工作频率都在几十千赫以上。自从上世纪5 0 年代由美国通用公司发明的 硅晶闸管问世以后，诸多研究工作者为研制高性能功率器件做出了不懈的努力，并已取 得了令世人瞩目的成就。 6 0 年代，晶闸管的电压电流容量( 即器件的功率) 不断提高，由普通晶闸管很快就 衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管( t r n c ) 以及不对称晶闸管 ( a s c r ) 等半控型器件，形成一个晶闸管家族。其优点是功率容量特别大，目前的水 平已达到7 0 0 0 v 8 0 0 0 a 。但缺点是开关速度低，关断不可控、因强制换流关断使控制电 路非常复杂，限制了它的应用。6 0 年代后期，可关断晶闸管( g 1 d ) 实现了门极可关断 功能，并使斩波工作频率扩展到l k h z 以上。7 0 年代初期出现了巨型双极晶体管( 鲫t ) ， g t d 和g t r 两者都是自关断器件，开关速度比s c r 高了，控制电路也简化了。而今， g t o 和g t r 的水平分别已达到了6 0 0 0 v 6 0 0 0 a ，1 0 0 0 v 4 0 0 a 。但是，g t o 的开关速度 还是较低，g t r 存在二次击穿和不易并联问题。另外，它们共同存在驱动电流大、功耗 损失大的问题。7 0 年代末又出现了功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、静电感应晶 体管( s r r ) 等，具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。 至此功率器件实现了栅极控制功能，且打开了高频应用的大门，各种高频率的全控型器 件不断问世，并得到迅速发展1 9 】【1 0 l 。 8 0 年代，绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - i g b t ) 问世，它综合 了功率m o s f e t 和双极晶体管( b j t ) 的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区 宽、饱和压降低( 甚至接近g t r 的饱和压降) 、酎压高、电流大【”。在通态压降和开关 时间这两个衡量功率半导体器件性能的重要参数方面有了明显的改善。随后又出现了电 子注入增强栅晶体管( 砸g t ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) ，其发展态势看好。 尽管功率半导体器件的工作频率不断提高，工作安全区不断扩展功率容量不断增 大，但最早出现的功率器件并没有完全被淘汰，如现在的可控整流器( s c r ) 可以做到 数于安培的电流容量，但开关速度较低，所以可以用于对电压及电流要求很高，而工作 2 1 绪论 频率较低的地方。新型的电力电子器件尽管工作频率很高，但其电流电压容量以及频率 的可调范围较小，从而限制了其应用。为了有更清楚的了解，将不同功率器件的对比示 于卧8 1 1 1 中。 工作颍率( h z ) 图1 1 不同功率器件的功率容量，工作频率及应用范围的对比 大功率、易驱动、高频化仍是现代半导体功率器件发展的主导方向，以新型器件为 主体的新一代器件正在代替传统器件。半导体功率器件的研究开发以及关键技术突破， 必然会促进电力电子技术的迅速发展。 绝缘栅双极晶体管是一种新型功率器件，经过几代重大技术改革，已成为功率器件 家族中应用最广泛的成员之一，在6 0 0 v 到2 0 0 0 v 功率领域得到成功应用。有人将这些 改进概括为3 代技术的变革【h 1 。 文献【1 2 l 【1 5 1 指出，b j a a l i g a 等人在1 9 8 2 年提出了i g b t 器件，最初提出的是穿通 型i g b t ( p u n c ht h r o u g hi g b t ( p t - i g b t ) ) ，其结构如图1 2 所示。 它是四层结构，是在很厚的高浓度的p + 衬底上依次外延 r ，n 层，然后在n - 层上 制造m o s f e t 的正面结构而做成的。p t - i g b t 的n 层掺杂浓度较低，但有一个n + 缓冲 层，它的穿通击穿电压低于雪崩击穿电压，在加阻断电压发生穿通击穿前不会发生雪崩 击穿，故称其为穿通型i g b t 。其优缺点l l q 如下： ( 1 ) 由于制造方法的限制，其p + 背发射区必须要求足够厚，以保证不碎片，并且 掺杂必须足够高，来保证电阻小，所以p + 发射区的注入效率很高； ( 2 ) 因存在矿缓冲层，用较薄的n 基区即可得到较高的击穿电压，且发射效率高， 使得基区电导调制效果很好，有利于降低导通电阻，从而降低了静态功耗； ， ( 3 ) 注入效率高使得在关断时n 区积累了大量电子无法从背p + 区流出，电子只能 靠自身的载流子复合来消失，这大大延长了i g b t 的关断时间，从而使p t i g b t 的关 断损耗较高； ( 4 ) 在制造高压i i t - i g b t 时，因所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。 3 功率容量一a) 西安科技大学硕士学位论文 1 9 8 7 年，德国西门子公司推出了一种新型结构的i g b t 是非穿通型i g b t ( n o n p u n c h t h r o u oi g b t ( n p t - i g b t ) 1 7 1 【1 9 1 。 n p t - i g b t 也是四层结构，首先是在轻掺杂的n 单晶体的正面制作m o s 结构，然 后从背面将n 减薄到耐压所需的厚度，再用离子注入法在背面形成重掺杂p + 区1 2 0 1 。其 结构如图1 3 所示。由于n 宽基区的下面没有矿缓冲层，宽基区的宽度大于空间电荷 区的扩展宽度，器件临界击穿电压下，耗尽层并没有穿通n 这宽的基区，故称为非穿通 型i g b t 。其优缺点如下：。 u ，迪叫 n _ n + 呸 p +石 w ，迎叫 n - p + 阳极阳极 图1 2p t - - i g b t 基本结构图1 3n p t - - i g b t 基本结构 ( i ) 背面p + 层薄且轻掺杂，降低了背发射区注入效率，使得在关断时电子可以很 容易地从背发射区流出，缩短了开关时间； ( 2 ) 因没有了矿缓冲层，为了保证耐压高度必须采用相对较宽的n 基区，从而导 致了导通电阻的增大，增加了静态损耗1 2 1 l ； ( 3 ) 通过采用穿通型结构的方法在参数折衷方面取得了显著改进：通过对单晶硅 直接进行离子注入，并合理地控制掺杂浓度，从而可以得到高的开关速度、低的拖尾电 流、正温度系数的高性能开关器件【l s l 。 n p t - i g b t 可以是平面型( p l a n a r ) 或沟槽型( t r e n c h ) 两种栅极结构 2 2 1 。 n p t - i g b t 和p t - i g b t 在制造工艺上的不同圈主要有以下几点： ( 1 ) p t - i g b t 器件，由于需要外延工艺，制造成本会增大，n p t - i g b t 是在单晶体 上直接制作的，不需要较高的成本： ( 2 ) p t - i g b t 的背发射区是离子注入的，厚度很小，浓度也不高，相当于以透明 的发射区； ( 3 ) p t - i g b t 在制造时要进行高能离子辐照，从而使基区内过剩载流子的寿命比 n p t - i g b t 中载流子的寿命短的多。 总之，n p t - i g b t 下降时间短、无拖尾、开关损耗小，还具有正的温度系数，芯片 热阻小，较高的正反偏过载能力，更大的正、反偏安全工作区，较低的制造成本等优点。 4 1 绪论 9 0 年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的i g b t ，但仍属穿通型结构。在这 种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 2 0 0 0 年，西门子公司研制出了一种新结构i g b t ：场中止i g b t ( f i e l ds t o pi g b t ( f s i g b t ) 1 2 2 1 ，其结构如图1 2 所示。它采用了电场截止缓冲层和低发射效率的p + 发 射极，优化了n + 漂移区的载流子分布。其优缺点 2 3 1 如下： ( 1 ) 因同时具有薄而轻掺杂的背p + 发射区以及电场截止性的缓冲层，从理论上 讲，f s i g b t 应同时具备p t - i g b t 和n p t - i g b t 的优点； ( 2 ) f s i g b t 的n + 缓冲层是在正面m o s f e t 结构都制作完毕以后靠离子注入， 然后退火形成的，如果离子注入后退火时间过长，温度过高，势必会导致正面m o s 结 构中各p n 结结深发生变化，因此矿缓冲层的厚度一般只能做到l u m 左右，且杂质的 激活浓度也很有限，用如此薄的缓冲层作高压器件的强电场中止层在物理上是很不可靠 的，容易失效，且f s i g b t 的击穿电压和反向漏电流都不易保证。 从p t - i g b t 到n l r r - i g b t 是器件纵向结构的改进，它改善了开关特性，降低了生产 成本；从平面型的i g b t 到沟槽型的i g b t 是器件两维平面结构的优化，它改善了器件 的导通特性和电流密度；采用电场截止结构是又一次纵向结构的优化1 2 4 1 。 正常i g b t 的工作频率一般在1 0 - - - 2 0 k h z ，它的开关速度比g 1 o 、i g c t 要快得多。 在交流电动机变频调速中，它是比较好的选择。它在中小容量装置中已在淘汰g t o 。目 前高压i g b t 的研制水平为( 6 0 0 1 2 0 0 ) a 6 5 0 0 v 1 2 5 l ，其工作平率为( 1 8 2 0 ) k h z 。 在2 0 世纪末，采用特殊结构和特殊少子寿命控制( 如质子注入加特殊退火工艺规范) 的i g b t ，在6 0 帖1 2 0 0 v 电压水平下，使工作频率高达1 5 0 k h z ( 硬开关) 和3 0 0 k h z ( 软 开关) ，这被称为霹雳型i g b t 。i g b t 将在开关电源领域内以其导通压降小，电流密度 大，电压等级高，成本低等优点占绝对优势。今后十年的开关电源，这种i g b t 的市场 分额将会不断扩展1 2 5 1 1 2 6 1 。 1 1 3 电力电子模拟仿真的发展 如前所述，电力电子技术是利用功率半导体的开关作用来控制电功率的流动，从而 实现对电能进行变换的技术，是弱电和强电之间的纽带。一个典型的电力电子系统通常 是由电力电子器件构成的模拟电路、数字电路或数模混合电路。一个复杂的非线性数模 混合系统，其各个部分往往又遵循不同的物理法则，从而给设计和分析均带来巨大的困 难。随着计算机软硬件的发展，人们只要建立适当而精确的电路模型、器件模型，利用 已知的理论和计算方法，在计算机上利用软件包建立一个虚拟的电路或器件模型，并对 其进行大量且迅速的计算，“仿真”出接近真实的结果。 半导体器件模拟仿真的概念起源于肖克莱( s h o c k l e y ) 1 9 4 9 年发表的论文，这篇论 文奠定了结型二极管和晶体管模拟的基础。从一组微分方程出发，肖克莱得到了半导体 5 西安科技大学硕士学位论文 器件的特性。以后，古默尔( g u m m e d 首先用数值方法代替解析方法模拟了一维双极 晶体管口刀，从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。随着大规模集成电路( l s i ) 以及 超大规模集成电路( v l s i ) 的诞生和发展，器件的尺寸越来越小，多维效应也越来越显 著，因而相应地，器件模拟工作者们的注意力也逐渐集中在二维及三维模拟上了。作为 研究器件物理，预研新型结构器件的有效工具，半导体器件计算机模拟技术已经成为集 成电路发展的前沿科学之一，并得到了日益广泛的应用。t 半导体器件的计算机模拟仿真可以从不同的角度作如下分析：从器件模拟仿真的空 间维数划分，可分为一维、二维、及三维；从器件模拟仿真与时间的关系划分，可分为 瞬态模拟仿真和稳态模拟仿真；从器件模拟应用的物理模型划分，可分为经典模型、半 经典模型和全量子模型；从模拟仿真的对象划分，可分为m o s 器件模拟、双极型器件 模拟、c r a a sm o s f e t 模拟、传感器件模拟以及其它半导体器件模拟 2 s l 。 早期的器件模拟仅仅限于一维分析，随着v l s i 的大力发展，器件的二维、三维模 拟软件也越来越多。一维器件模拟方面的软件主要有美国斯坦福大学的s e d a n 软件等。 二维器件模拟方面比较著名的软件有m 斟i m o s 、p l s c e s 、p s p i c e 和a p s y s 。 目前，国内外对功率器件i g b t 建模做了很多研究 2 9 h 3 3 1 。顺利进行仿真的关键一 环就是对不同研究对象建立合适的仿真模型。对于建模的方法，无论是定量建模方法、 网络建模方法、模糊逻辑的定性建模方法，还是以人工神经网络理论为基础的各种具有 学习功能的建模方法，都己成为计算机仿真理论的重要组成部分。如今在建模方法中出 现了目前研究较多的面向对象建模和图形建模技术，它们都是利用计算机软件技术设法 提供一种直观可视化的建模环境，使复杂的建模过程得到简化 3 4 1 ，使所建模型更能逼真 地体现客观的事实。 随着仿真理论和计算机技术的不断发展，仿真技术已融入到高新技术领域，成为人 们认识和发现客观世界的重要工具。电力电子仿真技术作为一门新兴的与计算机技术密 不可分的高科技学科，以其独有的优点而倍受人们关注，电力电子仿真技术必将发展和 丰富。 1 2 选题研究的意义 1 2 1 功率器件i g b t 研究的意义 i g b t 是功率m o s f e t 和双极晶体管组成的复合器件，i g b t 的优越性在于它可以 节约硅片的面积及具有双极晶体管的电流特性。 再者从器件品种看1 2 6 1 ，全控型器件的产品国内几乎是空白，而国外第五代i g b t 在第 四代槽型i g b t 的基础上已研制成功，其采用了三种关键技术： ( 1 ) 采用c s t b t ( c a r d e r s t o r e d t r e n c h - g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r ) 结构技术以提高器 6 1 绪论 件性能； ( 2 ) 控制沟道密度的p c m ( p l u g g i n gc d lm e r g e d ) 技术； ( 3 ) 协调高压化和高速化且提高破坏耐量的l p t ( l i g h tp u n c h t h r o u g h ) 技术p ，j 。 而且，随着对i g b t 高电压大容量越来越高的要求，在国内商用的高压大电流i g b t 器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展 的需求。特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到1 0 k v 以上，目前 只能通过i ( 3 b t 高压串联、并联等技术来实现高压应用，现有的单个的i g b t 器件是力 不能及的。所以i g b t 的发展仍趋向于高电压、大电流、高密度，且对单个的i g b t 的 研究要求更高更迫切刚。 进入2 1 世纪以来，作为强电一弱电接口、推进现代先进制造技术关键的电力电子 正方兴未艾地在世界上发展。作为一个发展中国家，发展电力电子特别是功率器件正是 推广信息化、强国富民的重大举措。电力电子技术迅速发展关键就是半导体功率器件的 研究开发和关键技术突破。所以研究功率器件，不断推出有关功率器件的新思想、新理 论、新技术、新材料、新产品、新应用对电力电子技术乃至国民经济的发展至关重要l 蚓。 1 2 2 模拟仿真的意义 高速发展的现代计算机技术使得计算机仿真成为各个领域的重要研究工具，许多领 域的系统分析和设计已将计算机仿真技术作为重要手段来应用。以计算机为主要工具， 以真实系统或预设系统的仿真模型为依据的计算机仿真是通过运行具体仿真模型和对 计算机输出信息的分析，实现对实际系统运行状态和变化规律的综合评估与预测，进而 实现对真实系统设计与结构的改善与优化。计算机仿真是分析评价现有系统运行状态或 设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段。在各行各业，各种领域中均有广泛的应 用。可以说，现代计算机系统仿真技术已成为任何复杂系统特别是高科技产业不可缺少 的分析、设计、研究、评价、决策和训练的重要手段p 4 】。 随着市场竞争程度的日益加剧，为了在最短的时间内以最低的成本推出最好的产 品，世界各大公司在产品的研发，设计以及制造的过程中都广泛地采用了计算机仿真技 术( 亦为计算机辅助工程c a e ) 。仿真是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推 动科技进步的战略技术。应用建模与仿真技术研究功率器件，可以在较短的时间内用较 低的成本进一步优化器件的结构、工艺，研发器件的特性，提高器件的整体性能。 半导体器件的计算机仿真可以帮助人们了解半导体器件的内部特征，如电子流动速 度、电子的温度、内部电流场、不同材料介质之间的影响等等，为器件的设计和验证提 供有效的、逼真的数据结果。同时由于计算机程序的可重复性，使我们能较容易对不同 材料、不同器件进行重复仿真，极大地缩短了仿真的周期，灵活便利地对所需要的器件 进行仿真，从而可大大地节省产品开发的费用，缩短开发周期，所以器件模拟在半导体 7 西安科技大学硕士学位论文 器件及集成电路的设计、制造、检测乃至整个生产过程都是极其重要的，是不可或缺的 【3 7 】【3 司。 ， 以往一个新产品的研发过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷版排版与 制作，装配与调试，性能测试等等，若测试指标不合格，再从调整开始进行循环，直至 合格为止。这样往往需要进行反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为 一，为确定参数提供了科学的依据。 综上所述，电力电子模拟仿真技术的优点如下： ( 1 ) 为电路设计人员节省了大量的时间； ( 2 ) 节省了各种仪器设备； ( 3 ) 生产产品一致性好、可靠性高； ( 4 ) 产品的更新率高、新产品投放市场快等。 1 3 本文的主要工作 从电力电子器件发展趋势来看，i g b t 在高电压、大电流、大容量应用领域有很大 的应用前景，但目前，i g b t 作为一个新型电力电子器件，在实际应用方面的缺陷比较 多，例如：器件的容量不够高，开关速度不够快，使用效率不高等等，鉴于对以上问题 的考虑，本文主要针对i g b t 器件进行建模及对所建模型的功率损耗进行了研究，并做 了仿真，且与实际器件i r g b 3 0 8 6 0 k 型i g b t 手册上提供的数据进行了比较。完成的工 作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对电力电子器件i g b t 的结构、工作原理及特性进行了详细分析。介绍了电 力电子仿真软件p s p i c e 的发展、组成及主要功能； ( 2 ) 重点是在软件p s # c e 环境下，在原有m o s f e t 、b j t 、二极管、受控源等模 型的基础上，利用组合方法建立了i g b t 器件模型，从理论与经验两个方面给出了模型 参数配置的方法和模型中一些参数的求解过程；对i g b t 模型进行了静态和动态仿真， 并与实际器件i r g b 3 0 8 6 0 k 对比分析了仿真模型的静态、动态特性，两者结果比较吻合。 ( 3 ) 对器件的功率损耗，特别是开关损耗进行了理论分析，设计出计算功率损耗 的流程。 ( 4 ) 着重研究了i g b t 模型的开通功耗、关断功耗及通态功耗，并与实际器件 i r g b 3 0 8 6 0 k 对比分析了模型开关、导通时的功率损耗。 1 4 本章小结 本章分别详细介绍了电力电子技术、功率器件绝缘栅双极晶体管的发展历史、现状 和趋势及电力电子模拟仿真的发展。在此基础上，又讨论了本论文研究的背景和意义一 功率器件i g b t 研究、建模仿真的意义，最后给出本论文所做的工作。 s 2i g b t 的结构，特性及应用要求 2i g b t 的结构、特性及应用要求 2 1i g b t 的结构和工作原理 绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 简称i g b t 3 9 1 4 7 j ，其基本结 构如图2 1 所示，是在功率m o s f e t 的基础上发展起来的。其纵向结构为p n p n 型结构， 类似于m o s 晶闸管，也相当于一个v d m o s 与p h i 结二极管串联；横向结构与v d m o s 结构没有区别，电流也是垂直方向流动的，图2 2 所示为v d m o s 的基本单元结构。两 炉u u 卜 j ( j 2 。 j l i t - p + v ， 图2 1i g b t 的基本结构 ，扬j 7 筹筹燃2 钥，。 、l 、盟l n n + 漏极 图2 2v d m o s 基本单元结构 者的主要区别是：i g b t 结构中用p + 衬底代替v d m o s 中的n + 衬底，通过时以及p 区 的两次扩散或注入，自对准形成沟道。该器件有三个引出电极，衬底p + 接正电位，称i g b t 器件的阳极或集电极c ，也是p n p 晶体管的发射极；表面接触电极通常接负或零电 位，称i g b t 器件的阴极或发射极e ，也是n p n 晶体管的集电极；通过栅介质引出的电 极为i g b t 的栅极g 。内部有三个p n 结：p n 结、n - p 结和p r o 结，分别用j l 、j 2 及j 3 来表示。 尽管i g b t 的制造工艺与功率m o s f e t 相类似，但主要因为在i g b t 结构中，衬底 与高阻区之间形成p + n - 结，使得二者的工作原理和特性完全不同。i g b t 的等效电路如 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 3 所示，这是一个双极晶体管与m o s f e t 模型结构，图中的电阻r 是基区内的调 制电阻，图示器件为n 沟道i g b t ，m o s f e t 为n 沟道型，双极晶体管为p n p 型。图 2 4 所示是标明m o s 场效应管和双极管部分的i g b t 剖面图。可以看出：i g b t 相当于 一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ( c h a n tt r a n s i s t o r ：巨型晶体管) ，它们以达林顿结 构复合，其中g t r 为主导元件，m o s f e t 为驱动元件。图2 5 所示为n 沟道型i g b t 的通用电气符号。对于p 沟道i g b t ，图形中的箭头方向恰好相反。 i e p n p i p g 图2 3i g b t 的等效电路图2 5 通用电气图形符号 p n p 晶 体 管 栅极 图2 4 标明m o s f e t 和p n p 晶体管部分的i g b t 剖面图 作为电压控制型器件，i g b t 的开启与m o s 器件相同，其开通和关断是由栅极电压 来控制的，导通过程非常迅速：当栅极加正向电压并且大于开启电压v 6 e ( t h ) 时， m o s f e t 内形成导电沟道，且m o s 晶体管给p n p 晶体管提供基极电流，使p n p 晶体 管导通，从而使i g b t 导通。由于电导调制效应，使得电阻r 减小，这样高耐压的i g b t 也具有很小的通态压降；反之，加反向栅极电压时消除导电电沟道，流过反向基极电流， m o s 管夹断，即p n p 管基极开路，使i g b t 关断。 在图2 3 中，流经m o s 晶体管的电子电流i n ( 图2 4 中所示l u o s ) 构成了p n p 双 极晶体管的基极电流。如果q 。是p n p 晶体管的共基极增益，则流过j 2 结( 图2 2 中所 示) 的空穴电流( 图2 4 中所示i 剧- r ) 为 1 0 2i g b t 的结构，特性及应用要求 - ( 剖l ( 2 1 ) i g b t 的发射极电流为厶+ 易( i u o s + l a r r ) ，缸且在稳态条件f 等于集电极电流i c ( 图2 4 中所示i i o g r ) ，即有 毛= = 厶+ ( 2 2 ) 。l 一口 4 。 当所施加的门极电压v a e v ( 拒( t h ) 之后，流经m o s 沟道的电子电流取决于v 6 r 。 如果足够高，则厶与m o s f e t 的导电沟道的长1 、宽z 、导电沟道的压降p 矗、单位 面积的栅氧化层电容c d n 反型沟道中电子的平均有效迁移率够等因素有关。有 l = 手吻 一( 哪 吃 ( 2 3 ) 于是，将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 可得i g b t 的集电极电流c 的大小，即是 j c2 了zi 吻c o x , l - 吨( 哪 ( 2 4 ) 当导电沟道压降v , h v a e v c , e ( t h ) 】时，集电极电流饱和，有 毛2 三警一( 曲) 2(25)a11 ，一一l ， r 一，、l 二j ， 。 一口wl “ “l “j j 式中，a 是依赖于器件几何形状和浓度分布的常数。 由方程式( 2 5 ) 对( 虼矿v g e ( 蛳) 微分，便可以得到i o b t 在饱和区的跨导 岛2 面z 1 1