（电力电子与电力传动专业论文）igbt参数辨识及其有效性验证.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i l ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t i o no fs y s t e m ，t h es i m u l a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c si s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o t o t y p e l e s sd e s i g no fp o w e r e l e c t r o n i c sc o m ef o r t h ，w h i c hr e q u i r e st h es i m u l a t i o nb ec l o s e rt or e a lc i r c u i tt h u s d e v i c em o d e l i n ga n dm o d e lp a r a m e t e r si d e n t if i c a t i o ni sa l w a y sab r a n c hd e s i g no fp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i g b th a st h em e r i t so f h i g hc u r r e n td e n s i t ya n d l o wd e r i v ep o w e r i th a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e re l e c t r o n i c si n v e r t e r sa n dp o w e rd r i v es i n c ei ta p p e a r e d s ot h em o d e l i n ga n dm o d e lp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nf o r1 g b ti sb e c o m i n gar e s e a r c h f o c u si np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d b a s e do nt h ea l l e nr h e f n e ri g b tm a t h p h y s i c sm o d e l ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o d f o ri g b tp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hc o n s i s t so fe x p e r i m e n t ，s i m u l a t i o na n do p t i m a l a l g o r i t h m w eb u i l tap l a t f o r mt oa c q u i r ec h a r a c t e r i s t i cw a v e so fi g b t ，w o r k i n gw i t h f r a n c ep a c t ea ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，h a v ei d e n t i f i e dt h ep a r a m e t e r so fi g b ta n dt o k e n v a l i d a t i o nf o rt h e s ep a r a m e t e r s t h ep l a t f o r mm a i nf u n c t i o ni n c l u d e se x t r a c t i o no fd y n a m i cw a v e ，s t a t i cw a v ea n d v a l i d a t i o n ，s u n w o r k s t a t i o nw o r k sa ss i r e u l a t i o nc o n t r o l l e ra n dp cw o r k sh a n d l e rf o r d a d as a m p l e a l s oi ti n c l u d e sd i g i t a l o s c i l l o s c o p e ，g p i bb u s ，p c i 一9 11 2c a r da n d p r o g r a m m a b l ec o n t r o lp o w e rs u p p l y t h es o f t w a r ef u n c t i o no ft h i ss y s t e mi n c l u d e sa u t o m a t i cd a d aa c q u i s i t i o na n do b j e c t i v e f t m c t i o no p t i m i z a t i o n ，w h i c ha r eb a s e do i lw i n d o w sa n du n i xr e s p e c t i v e l y w eu s ej a v a a n dct o p r o g r a mf o rd r i v i n gh a r d w a r es u n w o r k s t a t i o nr e c e i v e st h ed a t aa c q u i r e db y p c ，a n dt h e ns t a r t sp a c t es i m u l a t i o nb ym o d i f y i n gi g b tm o d u l ep a r a m e t e r s a f t e rt h ea c c o m p l i s h m e n to fi g b tm o d e lp a r a m e t e r si d e n t i f i e d ，av a l i d a t i o nw a st o o k f o rt h e s ep a r a m e t e r so fi g b ti nal a r g er a g eo f v o l t a g ea n dc u r r e n t ，a n dw et a k ea n a l y s i s f o rt h er e s u l to fv a l i d a t i o n t h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o na n dv a l i d a t i o nf o ri g b th a s s i g n i f i c a n tg u i d a n c ef o ri g b tm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n ds e l e c t i o no f u s a g e k e yw o r d s ：i g b t p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o na u t o m a t i ca c q u i s i t i o ns y s t e m o p t i m a la l g o r i t h m v a l i d a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特n d i ：i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被 查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鸯埤导师签名：乌习易经 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力电子器件参数辨识的意义 近十几年来，由于半导体微细加工技术与高电压、大电流电力电子技术相结合， 使得电子产品丌发周期不断缩短，市场上电力电子器件的特性也越来越成熟。对于 用户来说，日益复杂的电力电子系统殴计将越来越依靠计算机辅助设计和分析，在 制作实际系统前，必须要对所没计线路进行仿真研究，在仿真过程中排除设计错误， 并使系统在设计时已尽可能达到最优化，节约财力物力，达到事半功倍的效果。 电力电子系统仿真的关键在于电力电子器件的仿真，它是建立在器件模型及模 型参数的基础上。在器件模型确定以后，仿真的精度取决于器件的模型参数。要取 得准确、可靠、有指导意义的仿真结果，首先要有器件的精确模型参数。但是，采 用一般的仿真软件对电力电子系统电路仿真，有不少的局限性，使得仿真结果达不 到预定的效果，主要有如下制约因素： 一、虽然有些仿真软件可以提供电力电子器件的模型参数，但由于生产厂家的 不同及产品批次的不同，使得器件模型参数有较大差异，如果简单使用仿真软件提 供的参数，就会导致仿真结果的不准确。 二、模型提供的滞后性。有些生产厂家推出某一电力电子器件以后，并不会立 即提供模型参数给仿真软件厂商，这就使得有些新器件的模型在仿真时只能找相近 器件替代，这会导致仿真结果的不准确。 三、在普通仿真软件中，一般将电力电子器件的模型用等效电路来代替，即电 阻、电容、可控电源及一些已知模型器件来组成电力电子器件的模型。比如p s p i c e 中的i g b t 模型，是由一个b j t 和一个m o s f e t 的简单组合。由于此类等值电路较 为简单，这种模型并不能精确描述器件的工作物理特性。 四、出于商业保密性，制造商一般仅给用户提供器件的工作特性指标，不提供 器件的物理模型参数。尽管部分物理参数可以根据产品手册上的数据推算，但得到 的结果非常粗略。即使同样的器件，不同的厂商提供的参数也不一样，所以用户仍 然得不到精确的物理模型参数。 以往的电子电路仿真只能应用于小功率的模拟器件和数字电路，大功率电力电 上海大学硕士学位论文 子器件无法用这些仿真软件进行精确地仿真。这是因为大功率器件的一些物理效应 没有被考虑，如电荷存储效应、电热效应、多子的掺杂浓度、载流子寿命周期等等。 这些效应没有被正确描述或者说根本没有被建模，原因是它彳j 对小功率器件的影响 不重要或可以忽略，但是这些效应对于大功率器件性能是非常重要的。 近年来国内外很多学者致力于电力电子功率器件的数学一物理建模研究，力求能 够在大功率条件下模拟器件的动、静态工作特性，研制了一些基于器件数学一物理模 型的电力电子系统专用仿真软件。随着电力电子技术的不断发展及无原型 ( p r o t o t y p e - l e s s ) 设计的需求，电力电子器件的仿真越来越重要，器件的模型参数辨识 具有重要的研究价值。 1 2 国内外研究现状 目前国内这一领域的研究相对比较薄弱，大多数是用一些仿真软件进行模型参 数的工作特性验证，而且多数只考虑稳态过程，涉及到器件的动态过程参数和器件 的微观物理模型的不多。西安交通大学、浙江大学、哈尔滨：r 业大学、西安理工大 学、株洲电力机车研究所等科研机构从8 0 年代后期开始进行这方面的研究，但是大 多数是基于等值电路模型进行数学推导。到目前为止，国内还没有出现基于大功 率器件的数学一物理模型自主创立的参数辨识方法和电力电子器件专用仿真软件。 国外在这一领域里的研究已比较深入，主要集中在器件的建模和模型参数辨识 两个方面。i g b t 模型一般分为二类“1 。一类为行为模型( b e h a v i o r a lm o d e l ) 或实验 模型“1 ，这种模型以等值电路为基础，模型简单，但不够精确。在一些比较复杂的 系统中，仿真软件采用这种模型，能够取得满意的效果。此类模型主要以设计者的 经验为根据，要求设计者对系统工作特性非常熟悉，完全不考虑器件的动态物理过 程，所以此类模型难以准确描述器件的动态特性。 第二类为数学一物理模型( m a t h e m a t i c a l p h y s i c a lm o d e l ) ，其特点是以i g b t 的 物理结构及机理为基础，考虑载流子寿命、扩散速度、导电沟道宽度、多子掺杂浓 度、电荷热效应、p n 结点温升等一系列的基本因素，用数学等式描述器件的物理特 性。这类模型能够较好地描述器件的静、动态特性和开关瞬态过程。但缺点是模型 上海大学硕士学位论文 本身结构庞人，细化参数繁多复杂，仿真时需要花费大量的计算时问，比如h e f n e r 等人提出的h e f n e r 模型“1 ，以及后来很多基于h e f n e r 模型而开发的专用仿真软件。 近年来，法国罩昂国家电气实验中心在该领域做了很多开创性的工作。他们对 电力电子器件的物理模趔进行深入研究，开发了基于棒图( b o n dg r a p h ) t 里论的电力电 子系统专用仿真软件p a c t e ，该方法以器件的数学一物理模型为基础，具有仿真速 度快及精度高等特点。他们f 己将该方法成功地应用于p i n 功率二极管、功率 m o s f e t 、i g b t 等电力电子器件的参数辨识“”。 1 3 电力电子器件参数辨识的基本思想 图1 1 为电力电子器件建模及参数辨识的流程图。首先开发者或制造商研究分 析器件的工作特性，然后建立器件物理模型，该模型必须能够完整的描述器件动、 静态行为特性，然后对器件的物理模型进行参数辨识，辨识通过之后再进行有效性 验证，直到有效性验证通过之后，此时的模型参数才能提供给使用者使用。在这个 过程中有三个反馈环节，若最后的有效性验证通不过，则有可能是这三个环节中的 一个或多个环节出现问题，可以修改模型参数或修改模型，进行反复修正。 图1 1 电力电子器件建模及参数辨识流程图 由图11 可以看出，电力电子器件从设计到最后成为可用的产品，是一个反复 验证结果刁i 断修改模型和模型参数的过程，模型参数辨识只是其中的一个环节。在 选择了正确的模型之后，可以通过参数辨识和有效性验汪来获得模型的准确参数。 一一 一 圭堡丕兰堡三堂鱼笙墨 在本系统中采用的i g b t 仿真模型是h e f n e r 模型，该模型已经注入p a c t e 仿 真软件中。我们采用如图1 2 所示的实验与仿真结合的方法进行i g b t 模型参数辨识。 一方面对i g b t 工作电路进行波形采集，获取f ：同电压电流条件下的波形特征值， 另一方面通过启动p a c t e 仿真软件，求得仿真输出波形特征值，利用实验值和仿 真值构成组目标函数，采用最优化算法，不断修改仿真模型参数，当目标函数值 最小时，我们认为此时的模型参数即为我们所辨识出的i g b t 参数值。 图12 i g b t 参数辨识思想 1 4 本文研究的主要内容 本课题来源于台达电力电子科教基金项目，与法国里昂国家电气实验中心合作， 实现对 g b t 模型参数辨识及其有效性验证。本文主要研究内容包括以下几个方面： 一、 根据法囡方面提供的p a c t e 仿真软件及器件模型，构建一个i g b t 工作波 形自动采集平台，进行i g b t 波形特征值在线自动采集。该平台以p c 机 和s u n 工作站为控制中心，实现对所有硬件的驱动和数掘采集。 二、 利用j a v a 和c 语言，采用j n i 技术，实现高级语言驱动外部硬件。使p c 机通过g p i b 直接控制程控示波器和p c i 一9 1 1 2 卡，实现程控电源的控制及 波形采集。 三、 建立i g b t 动、静态目标函数，选择合适的优化算法，通过优化过程辨识 出i g b t 的模型参数。 四、 对辨识出的i g b t 参数进行有效性验证，并对有效性验证结果进行分析。 上海大学硕士学位论文 第二章lg b t 器件原理及其仿真模型 i g b t ( 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 ) 是一种双极型电压控制器件。它兼有g t r 和m o s f e t 双重优点，具有电流密度大、驱动功率小、导通压降低、输入阻抗高等 特点，在电力电子领域得到了1 泛的应用。尤其在电机控制、中频开关电源、逆变 器、机器人、空调以及要求快速低损耗的许多领域有着明显的竞争优势。 自从1 9 8 2 年第一只i g b t 问世以来，i g b t 的发展经历了从第一代到第四代的 技术革新和工艺改进。i g b t 的发明，在中高压领域克服了v d m o s f e t 导通电阻大 的缺点，并兼容了m o s f e t 的和双极型器件的优点。8 0 年代末，商品化的i g b t 单 片水平已达5 0 a 1 k v ；到了9 0 年代初，i g b t 模块已达3 0 0 a 1 2 k v 。i g b t 每次升 级换代都朝着高压大容量化迈进，最近有报道i g b t 最大额定集电极电流己经达到 2 4 0 0 a ，最高阻断电压达到6 5 k v ”1 。除功率大幅提高外，工作频率也极大的提升， 最小关断时间可以缩短至4 0 n s 或更低。 在i g b t 从第一代到第四代发展过程中，很重要的研究课题就是设法改善饱和 压降和开关伏安特性关系。通过一系列的改进措施，第_ = 代i g b t 的饱和压降、关 断时间都比第一代下降了3 0 以 二。到了第四代，比。) 和t 盯都降低了一半。随着 细微加工技术和大功率半导体技术的发展，目前功率器件系列都采用l t u n 以下的设 计规则。以耐压为9 0 0 v 的i g b t 特性的提高为例，从第一代到第四代的通态压降 。和关断时间l o f t 特性标准如表2 1 所示”1 ： 表2 1i g b t 发展的各阶段性能标准 吃。( v )f w ( 肛) 第1 代 3 0o 5 0 第2 代 2 8o _ 3 第2 5 代 2 4o 2 5 第3 代 2 oo 2 5 第4 代 1 50 2 5 上海大学硕士学位论文 2 1i g b t 的基本结构 i g b t 是三端器件，如图2 1 所示，包括集电极c ( 阳极) ，发射极e ( 阴极) ，栅极 a ( i l 极) ，它相当于一个由m o s f e t 驱动的b j t 。其原始结构是m o s 双极达林顿管， 由图可以看出，它的结构与v d m o s 十分相似，差别仅在于它的衬底是p + ，而v d m o s 的衬底是n + 。1 g b t 的结构现已出现多种形式，根据栅极的材料可分为铝栅和硅栅， 根据栅极结构又可分为普通栅极和台阶式栅极两种，按沟道材料不同，也有p 型和 n 型沟道之分”1 。 在正常工作电压下，阳极相对阴极施加正电压，当栅极加_ j _ f 三电压时形成导电沟 道，电子从n + 阴极流到n 区，进入p n p 晶体管的基区，使p + - n 一结构趋于一偏压。 最终使它处于正向偏置状态。此时大量空穴从p + 区注入n 一区并和从n 注入的电子复 合。当从p + 区注入的空穴比n 一区掺杂浓度大得多时，这些过剩载流子将显著的调制 n + 外延层的电导率，从而使i g b t 不但能承受高电压，而且还具有低的导通电阻。 i g b t 集成了m o s 栅极控制与双极电导调制以获得高输入阻抗和低通态电阻优 点，是目前最理想的功率开关器件。其基本结构有横向型和纵向型两类，对于高压 m o s 器件，电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构，但是其单位面积的最 大电流较小，导通电阻较大，因而横向型m o s 器件难以实现大功率化。但横向器 件便于和其它电路相集成，而且它不需要用高阻外延材料，因而其应用也具有一定 的广泛性。横向绝缘栅双极晶体管( l 1 g b t ) 的基本原理和一般i g b t 一样，只有电流 是横向流动的。作为电力电子功率器件，i g b t 主要是纵向结构，本文将以一般的纵 向结构来说明i g b t 的基本结构及特性。 ，掣刁粤三歹 j 2 n + ， j ， p t 7 7 7 7 r 7 r 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 图2 1i g b t 结构图及其等效电路图 上海大学硕士学位论文 为适应大功率化的要求，现代电力电予器件发展的方向是高电压大电流。然而， 一般半导体器件都存在耐压和正向导通特性之间的矛盾：为了提高耐压而使用低掺 杂n 层，一般不利于电流密度的提高，但高掺杂n 层又反而会降低耐压。为了解决 二者之间的矛盾，在1 g b t 结构中增加了一个n + 缓冲层，这种结构称为非对称结构， 也称作穿通型p t 一1 g b t ，如图2 1 所示。穿通型i g b t 具有正向压降低，关断时间 短、拖尾电流小等优点，但反向阻断能力相对较弱；无n 缓冲区的i g b t 称为对称 型i g b t ，也称非穿通型n p t i g b t 。它具有较强的正反向阻断能力，但它的其他特 性却不及对称型i g b t 。 在i g b t 导通状态下，p 区表面将反型并变成n 型导电沟道，电子将从n 发射区 通过沟道流到n 漂移区，并垂直流入n _ 夕 延区，由于电子的流入，降低了n 一区的电 位，加速了p 区向n 区注入空穴进程，大量空穴从p + 注入n 区并和n + 区注入的电子 复合。当注入的空穴比n 掺杂的浓度大的多时，这些过剩的载流子将显著地对n 一 区外延层进行电导率调制，使得n 一区载流子浓度提高，阻抗减小。降低了i g b t 的 导通阻抗，克服了m o s f e t 器件的缺点。因此i g b t 可以工作在很高的电流密度下， 能承受高的阻断电压，并且通态压降小。 从以上i g b t 结构分析可以看出，i g b t 虽然在高电压大电流方向发展取得了巨 大进步，但是这种机构和导电机理也给i g b t 带来了一些潜在的不利因素： 其一：由于i g b t 存在着p n p n 四层结构，在一定条件下，可能会导致擎住 效应( l a t c h i n gu pe f f e c t ) ，旦进入擎住效应，i g b t 失去自关断能力，进入可控硅工 作状态进而烧毁i g b t 。擎住效应足所有p n p - n 四层结构所共有的现象，虽然采取 一些特定的措施能够很大程度上抑制擎住效应，但是不能从根本上消除这一现象。 擎住效应在1 g b t 发展地初期限制了该器件的广泛使用。 其二：由于少数载流子的注入，关断时在n 区有大量过剩的载流子需要抽取和 复合，引起拖尾电流，延长了关断时间，增加了关断损耗，降低了开关频率。目前 除了在工艺上降低少子寿命外，在结构上也进行了改进。最近研制成了阳极发射结 短路结构i g b t ，这种结构可以将关断时间普遍降低到0 1 9 9 s 以下”1 。 上海大学硕士学位论文 2 2i g b t 的基本特性 2 2 1i g b t 的工作原理 绝缘栅双极型晶体管i g b t 在正、反向都具有阻断能力，它是电压控制并具有 自关断能力的m o s 双极复合型器件。它的开通和关断e h 栅、集电极与发射极间电 压和l 。决定。根据图2 1 就吃和吃组合出现的三种情况加以分析： 当 0 而吃 0 且吃 时，m o s f e t 沟道体内形成导电沟道，i g b t 进入正向导 通状态，此时由于结处于正偏置状态，p + 区将向n 区注入大量载流子( 空穴) ，当 正偏电压吃升高时，注入的空穴密度也相应增大，直到超过n 区多数载流子密度为 止。在这种工作条件下，随着k 的升高，向n 区提供电子的导电沟道加宽，集电极 电流，将增大，i g b t 将进入线性工作区域直到进入饱和区域。 i g b t 的基本工作状态与n p n 管无关。i g b t 的9 ：1 ：通，与m o s 器件相同，是受 栅压控制的，而且导通非常迅速。为使1 g b t 从开启状态转换到关断状态，必须使 栅偏为零或加负电压。没有栅极偏压，在栅极下面p 基区表面的反型层就不能维持， 栅极偏压的移去切断了进入n 基区电子的来源，沟道消除，开始关娅过程。因为在 导通期间，n 基区注入有很高的少数载流子浓度，所以关断不能突然发生，而会经 上海大学硕士学位论文 历一个过程。通常用少子寿命确定的特征时间常数反映阳极电流的衰减变化程度。 2 2 2i g b t 的静态特性 i g b t 的静态特性包括转移特性和输出特性。转移特性是描述集电极电流，与栅 射间电压吃。之问的关系；输出特性也称伏安特性，它描述栅射问电压为控制变 量时，集电极电流l 与集射极间电压l 。之间的相互关系如图2 2 所示。在本系统中， 为了取得i g b t 静态参数，我们采用静态输出特性波形对i g b t 进行静态参数辨识。 o 图2 2i g b t 的静态输出特性图 t g b t 的输出特性分为正向阻断区、有源区和饱和区。由上一节i g b t 工作原理 分析可知，只有在屹。 0 且 时，v d m o s 的沟道体区内形成导电沟道，i g b t 才能进入正向导通状态。此时，由于l ，l 结处于正向偏置状态，p + 区将向n 区注入空 穴，当正偏压升高时，注入空穴的密度也相应增大，直到超过n 基区的多数载流子 的浓度为止。在这种工作条件下，随着栅射电压吃的升高，向n 基区提供电子的导 电沟道加宽，集电极电流，。将增大，在正向导通的大部分区域内，t 与呈线性关 系，而与吃无关，这部分区域称为有源区或线性区。对于工作在开关状态下的i g b t 应该避免工作于有源区，否则功耗会很大。在饱和区输出特性比较弯曲，l 与k 不 再呈线性关系。i g b t 通态电流，。为”1 ： i c s = d + pv p v jd = q 十p v p v l j d 啦2 1 ，。为等效电路中m o s f e t 的漏极电流，即p n p 晶体管的基极电流：p 。为p n p 的 上海大学硕士学位论文 放大倍数，与普通达林顿结构不同，i g b t 的。 1 ，因而晶体管的基极电流，d 构 成i g b t 通态电流的主要部分。这种不均衡的电流分配时由i g b t 的结构所决定。 i g b t 的通态压降l 为”1 ：) = 巧。+ + l r 。 ( 2 3 ) 为结的j 下向压降，约为07 1 v ；为扩展电阻r ，上的的压降；r 。为m o s f e t 的沟道电阻。与m o s f e t 相比，i g b t 的通态压降要小的多，这是因为i g b t 中的 漂移存在电导调制的缘故。 2 2 3i g b t 的动态特性 i g b t 的动态特性也称作开关特性，包括开通和关断两个部分，如图2 3 所示。 v 、i g m a x 、 i g o f f t v 一 v 、i l l ( o f f ) 7 t ：三。r 呲一 fi： z d t l 卜夕l - i ；：! 0 f ! 叫1 。k 叽 。| 。 ：卜l q w r v 。 l t n t 1 、t ，i t l 。t 1 ，t5 j ，t 。t7 l t 8 7 图2 3i ( ；b t 的动态特性图 t t 海大学硕士学位论文 i g b t 的开通：是从正向阻断状态转换到正向导通过程。 当f 0 时，i g b t 是断开的。f = 0 。 当扛0 时，在i g b t 的栅极上加正电压圪。，i g b t 的驱动电压吃开始增加。 从f 。到f ，时刻，驱动电压v g e 从其幅值的1 0 处逐渐增加，直到集电极电流到达 其幅值的1 0 处为止。这段时间为开通延迟时间f 。，i g b t 集射极电压：。 当t 从t 到t 2 时刻，i g b t 开始导通，c 以以c 。以的斜率迅速从1 0 上升到其幅 值的9 0 处，这段时间为电流上升时间t 。，仍近似于。 当t 从f ：到f 。时刻，集射电压 p ) a t n ，它分为两部分。从f ：到毛时刻，的 下降主要是i g b t 中m o s f e t 单独工作的电压下降过程，它是电压下降的主要部分， 斜率为d m 。我们定义这段下降时间为；从f ，到t 。时刻，电压下降是 m o s f e t 与p n p 晶体管同时工作的电压下降过程，定义这段为t ：。t ：这一段时 间电压下降变缓主要原因是m o s f e t 的栅漏电容增加以及i g b t 的p n p 晶体管由放 大状态转换到饱和状态需要一个过程。 同时，当f 从f ：到时刻，电压吃由于米勒效应几乎维持常量。导通后流过i g b t 的电流，。的值为。 从f o 到t 2u 寸g l j ，即为i g b t 的开通时间t 。= f d 。+ f ，( 2 4 ) i g b t 的关断：是从正向导通状态转换到正向阻断过程。 当t 从毛到，。时刻，f 极开始放电到尼，驱动电压吃从其幅值的9 0 处下降， 直到集电极电流开始下降，到达其幅值的9 0 处为止。这段时问为关断延迟时间 f 。o f f ，集电极电流七和的值几乎保持不变化。 t 从t 。到f 。时刻，为电流下降时间f 。，它分为两部分。 当t 从t 。到f ，时刻，迅速以斜率c 7 ：以上升，同时电流开始下降。电流 下降的第一部分主要对应i g b t 内部m o s f e t 的关断过程。随着栅射电压的下降， 内部m o s f e t 的沟道截止，m o s f e t 的电流是1 g b t 电流的主要部分，这段时间内 ，。下降很快，斜率为出。m 。但是由于p 发射区通过山结注入到n 基区的空穴流不 会突然消失，因而，。不能突然降到零。电流下降第二部分，继续下降直到集电极 电流到达其幅值的1 0 处为止。对应i g b t 内部n p n 管关断过程。此时m o s f e t 已 经关断，i g b t 无反向电压，n 基区的少数载流子复合缓慢，这段时间内l 下降较慢。 上海大学硕士学位论文 从t ，到t 8 时刻，即为i g b t 的关断时间 盯= “。+ ( 2 5 ) _ 爻断过程中，阳极电压的波形与负载阻抗的性质有关。在电感性负载时，阳极 电压会突然上升往往超过电源电压，会产生大的颠峰冲击电压。在这种情况下， g b t 实际承受较高的电压随延迟时间的延长而承受较大功率，i g b t 将承受较高的 d v m ，必要时应采取措施加以抑制。在电阻性负载时，关断电流尾部较长，导致 关断时侧较长，这是因为p n p 晶体管n 基区中存储电荷的大部分因复合而放电的 缘故。 在本系统的动态参数采集中，我们采用了以下的波形特征值来描述动态波形。 如表2 2 所示： 表2 2 动态波形特征值 波形特征值符号说明 t dd n开通时间 。 开通后栅源极电压 i c 开通后漏极电流 开v 6 e 。mm ，开通时米勒电压 通 f 。，m r 开通时刻到出现米勒电压的时间 。 开通前的漏源极电压 f p 一，。 栅源极电压下降时间 q 6 。 开通栅极电荷 啊 关断前栅源极通态电压 l c _ o f f 关断前漏极通态电流 f 正酊 漏极电流下降时间 y m 7 。口 关断时米勒电压 m i l l e r o f f 关断时刻到米勒电压的时间 关 v ( e 孵 关断前漏源极通态电压 断 t 珂 漏源极电压下降时间 y c em i ( 漏源极最大电压 丌通到出现最大电压的时间 f 。 暖哂 关断栅极电荷 d d t 关断时漏源极电压变化率 d l c d t关断时漏极电流变化率 上海大学硕士学位论文 2 3i g b t 的擎住效应 2 3 1 擎住效应的理论分析 从图2 4i g b t 等效电路可以看出，在i g b t 的内部存在着一个寄生的n p n 晶体 管，与主开关器件的p n p 晶体管组成一个p n p n 的四层寄生晶闸管。在n p n 晶体管的 基极与发射极之间存在体区短路电阻以，在p 型体区的横向空穴电流流过时会产生 一定压降。对上结来说相当于施加了一个正向偏置电压，在额定集电极电流范围内， 这个正偏置电压很小，不足以使正导通，n p n 晶体管不起作用。所以在正常工作条 件下，这个寄生晶闸管也就工作不了。一旦这个晶闸管导通，就会产生擎住效应， 内部电流不断增大，器件不受栅极控制，i g b t 失去栅控能力“”。 e c 图2 4 具有寄生晶闸管的i g b t 等效电路图 从i g b t 结构分析可知由p + 衬底注入n 区的空穴一部分与来自m o s 沟道的电 子复合，另一部分则通过结被输入p 扩散区，成为p n p 的集电极电流。p n p 管集 电极电流将流经n + 源区下面的p 基区的电阻尼，在p 沟道区形成压降，相当于给n p n 管一个j f 偏电压。p 。) ，随着集电极电流的增大流过p 扩散区电流，。也增大。 = l b j r r s = f w l ( 2 6 ) 一旦该压降大于导通值( 0 7 v 左右) ，n p n 结构立刻导通，n + 发射区立即向p 区发射电 子，使得n p n 放大系数口。增大，进而使得p n p 放大系数口，增大，从而产生萨反 馈效果。当盘。，、a 。满足条件： a ， + ( 2 n p n 1 ( 2 7 ) 那么即使匕。 ，m o s 管不导通，在很小时，也可以产生很大的电流，无法通 上海大学硕士学位论文 过栅控关断。这时i g b t 就发生了擎住效应。 从以上分析可知，当a 。+ 口。 1 时，器件不能发生擎住效应。由此可见，若 使n 一区与p 区在表面用金属覆盖而短路，就可以使n p n 管的发射区与基区短路而失 去放大能力，从而避免器件的擎住效应。然而对于i g b t 器件来说，不管n 区与p 区如何分布或排列，电流总要横向流动，并且在p 基区存在横向电阻尼，当流过它 的电流超过允许范围时，尼上的压降超过源区n l p 结的闽值电压( 约o 7 v ) ，短路作 用就会消失，n p n 管将起放大作用，擎住效应就会发生。因此，当。o 7 时，在擎 住条件下( 盘。+ a 。1 ) ，设擎住临界电流为，。有： k s = r s ， ( 2 8 ) 流过b j t 的集电极电流 ，。_ i t = a ，。，。c 。 ( 2 9 ) p 基区电阻见上电压 o 7 = a ，。，c r 磁 ( 2 1 0 ) 故i g b t 发生擎住的临界闭锁电流，。为： ，a c r2o 7 ( ( z p n p r s ) ( 2 11 ) 由上式( 2 1 1 ) 可以看出，减小p n p 晶体管的电流增益a p n p 和降低p 基区的电阻聪 可以增大临界擎住电流。图2 5 所示为i g b t 的典型擎住特性曲线。 域 图2 51 g b t 的典型擎住效应特性曲线 它可以分为以下几个区域： ( 1 ) a b 段：定义为m o s f e t 栅控下的p n p 工作区。此时寄生n p n 管尚未导通。 ( 2 ) b c 段：定义为m o s f e t 栅控下的p n p 、n p n 管共同工作区。此时凰j 二的压 降逐渐增大，当n p n 管仍未导通，这是因为a m + a 1 。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) f 点：定义为转折点，对应的，为转折电压，在该点上由于口，。十盘尸。= l 的 条件已满足，触发了p n p n 寄生晶闸管的正反馈过程，使得i g b t 发生擎住效应，阳 极电流迅速增加。 ( 4 ) c ) 段：此时i g b t 已经进入了负阻区段，随着电流的增大，电阻减小，进而 促使电流继续增大，正反馈加速，i g b t 完全失控。 ( 5 ) d e 段：进入p i n 工作区，此时i g b t 己蜕变成一个等效的p i n 功率二极管。 2 3 2 动、静态擎住效应 由前面几节对i g b t 结构和机理分析可知，由于1 g b t 结构中具有pn p n 四 层结构，从而在器件工作时将会产生寄生晶闸管效应。寄生晶闸管效应即擎住效应， 也称锁定效应，晶闸管导通与触发信号无关的状态。这也是所有p - npn 四层结构 所共同存在的现象，它将使i g b t 面临失去栅控关断能力的危险，这必将对其应用 带来很大的限制，1 9 8 5 年投产的第一代i g b t 就存在严重的擎住现象，其后人们对 擎住效应进行了许多研究1 二作，提出了若干制造和工艺上的措施。 i g b t 的擎住现象有两种模型：导通时产生的静态( 直流) 擎住及关断时的动态擎 住。静态往往发生在低电压大电流工作状态，而动态擎住效应则易发生在开关过程 的高压大电流状态，一股静态擎住电流容量高于动态擎住电流容量。 1 静态擎住效应： 如果集电极电流，。大到一定程度，v 矗结正偏置电压将上升至使n p n 导通，使n p n 和p n p 晶体管同时处于饱和状态，当横向压降 结的正向偏压降达导o 7 v 时，n + 区开始发射电子，放大系数口。增大进而使放大系数a ，。增大，构成正反馈，造成 p n p n 晶闸管导通，i g b t 栅极失去控制作用。器件失控，集电极电流，增大导致器 件损坏，由此可见，集电极电流有个临界值。，大于此值后i g b t 就会产生擎住效 应。由式( 21 1 ) 还可以看出，静态擎住电流是p n p 晶体管电流增益口尸尸的函数，如 果口。比较大，流过p 基区的空穴电流也将比较大，于是擎住电流将比较低，容易 发生擎住效应。当降低n 基区少子寿命时，电流增益口。也随之减小，临界擎住电 流。也增大。目前已经在实验中观察到利用电子或中子辐照来降低少子寿命以提高 歼关速度的同时，静态擎住电流也随之增加“。 15 上海大学硕士学位论文 2 动态擎住效应： 实验研究发现，i g b t 不只在稳态导通期间发生静态擎住效应，当 g b t 工作在 开关条件下时，即使在较低电流也会引发擎住效应。在器件在高速关断时，阳极电 压迅速上升，集电极一发射极电压突然上升，呈现较大的d 出，在正结引起 较大的电位移电流，该电流流过只。时可以产生足以使n p n 晶体管导通的正偏置电压， 造成寄生晶闸管导通，使器件失控。 这种情况很容易发生在开关电路中负载为感性时。此时的突然关断极易发生动 态擎住效应。要避免这种现象，可以在1 g b t 的驱动电路上串联很大的阻抗，以降 低电流下降速度，但是这样一来又延长了关断时间，增加了损耗，降低了开关频率。 所以说，i g b t 器件很多性能指标都是相矛盾的，只能折衷最优化。 此外温度升高也会加重i g b t 发生擎住效应的危险。在常温下( 2 5 0 c ) 条件下，促 使i g b t 发生自锁的集电极电流，。是额定电流的6 7 倍以上，但在温度升高后，m 会严重下降。如图2 6 所示是西门子一款耐压2 5 k v 的i g b t 擎住电流与温度关系 图。 k w ( a ) 2 0 0 15 0 10 0 5 0 5 0i o ui5 u2 u u t j ( ”c 1 图2 6i g b t 的擎住电流与温度关系 当温度由常温上升到1 5 0 0 c 时，擎住电流下降了近一半。主要原因是i g b t 体内的 n p n 和p n p 晶体管的放大系数随着温度的上升而增大，p 区的电阻r s 随着温度上升 也增大，这是形成自锁条件的重要因素。因此在使用i g b t 时，应该考虑i g b i 的 温升条件，提供良好的散热条件，既可以降低开关损耗又可以减少i g b t 潜在的擎 佯效应。 1 6 上海大学硕士学位论文 2 3 3 抑制擎住效应的措施 i g b t 自问世以来，擎住效应曾经在很大程度上限制了其应用的广泛性，人们不 断对擎住效应结构器件进行研究和改进，第三、四代i g b t 在不进入擎住效应的提 前下具有很高的工作电流密度，在这方面作出杰出贡献的科学家有bjb i l i g a 、 h y i l m a z 等人，目前较为成功的抑制擎住效应方法主要有以下几种“”“”“”“”1 ： 1 减小i g b t 寄生晶闸管发射结分流电阻“” 该电阻即是p 基区的横向电阻r 。，r 。的存在及其对流过晶体管n p n 发射结的分 流作用是由1 g b t 的自身的机理结构决定，因此存在p 基区中的尼无法被消除。但 可以通过在p 区引入一层高掺杂浓度的p + 层能减小r 。，这种改进的i g b t 器件可以 提高擎住电流密度，从而使器件在高密度工作电流时也不容易进入擎住效应。 在i g b t 的p 基区进行p + 深层扩散时，必须考虑掺杂层的结深和表面浓度等工 艺参数，利用r 。模型，可以计算r 。与p + 深层扩散工艺参数的关系。x t 于n n 、条形、 方行i g b t 元胞结构，r ，的表达式分别如下： 吩= 豁詈一等) + 斟詈一等 c 剐 耻讣三一等 + 钭詈一等 c 棚 驴r ：s - ( e 。2 ：_ _ ：2 一 + 筹一等 c 绷 式中：r 。+ 和r 。一分别是p 基区的轻掺杂和重掺杂区的薄层电阻，可根据杂质分 布用数值积分准确算出，p 基区及n + 区的横向边界坐标、t 、可由版图设计 参数k ，。和t 准确算出，计算时要考虑横向扩散的结深，厶是条形元胞的长度。 通过优化设计元胞的结构、尺寸及掺杂浓度，可以设计出具有较小r 。的i g b t ，从 而得到了具有很大擎住电流密度的i g b t 。 2 通过缩短少子寿命以减小i g b t 内晶体管的电流增益“2 1 日前通过这一方法改进擎住效应的措施主要有中子辐照、电子辐照及质子辐照。 该方法的原理如下： 由于i g b t 是双檄型器件，