NPT型IGBT静态模型分析及仿真
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IGBT开态的两种模型
IGBT 开态的两种模型1.M0SFET/P-i-N 模型分析IGBT 开态特性的一种简单模型就是将IGBT 看作是P-i-N 二极管与MOSFET 串联。
为了一维分析简单，N-A 处传输到MOSFET中。
加很大的正栅压来使得 IGBT 工作于线性区，从而在栅极下方产生了电子积累层。
开态 电流流动时，电子通过沟道到达积累层可以看成是对 N-base 区的电子注入。
同时 P+集电极向N-区进行高水平注入空穴。
在栅极下方部分的电子、空穴分布如下图所示。
Oxide \ ,Accumulation L^y^r JiG ；JI N -P*!c J--------------------------------- ―►*! E1P1JCarrierL /Densityi(Logi i ScaledN D 1 i ——! % ni、 --n op+n2dMOSFET■cCollector㈣Emitter■Gats 4RectiTitr已知P-i-N 二极管的正向导通压降为:时，P-i-N 二极管对导通压降的大小约为1V ( J e =100 A/cm 2 )。
变换后写为J e工作在线性区时， MOSFET 沟道上的压降为:V F，MOSFET =I C R C H = J e PZR eHlicOXflv T因此IGBT 工作于线性区时的导通压降为:出现V Knee第一项占主导，此时IGBT 结构的集电极电流随集电极电压增加而指数增加；当较大的集电 极电流密度下时，第二项占主导，相当于一个电阻与P-i-N 二极管串联。
漂移区中你山)=蛙*-2C 寫胃，其中 d=l w N 。
2 NVF ,PiN斗__Iq ]2qD a mF(d/L a )J e d。
当L a = 1W N 时可以得到最小的导通压降。
开态4qD a 土 F,PiN /2kTV F T1ZJ e W NpJe L CH，其图像如下图。
U C VCollector BiM \ olligc Q J I %)N461J24 <」sHSJ 匕—■-HtMMe ■n(y)二 p(y)•HL J C cosh(y/l_a ) 2qL a _sinh(d/L a )sin h(y/L a ) 2cosh(d/L a )，其中 d=-W N 。
NPT型IGBT静态模型分析及仿真
函数 , 在静态时把 Imos = In ( W) 代入 MOSFET 伏2
安特性公式 (14) 中 , 则 Vds也为 Vgs和 P0 的函数 。
消去中间变量 P0 , 则得到伏安特性 。
当 把 MOSFET 中 饱 和 电 流 Imsaots = Kp ( Vgs -
Vds) 2/ 2 的关系式代入 In ( W) 的表达式 (9) 中时 ,
- μDnln
P0 + NB NB
(12)
式中
—5 —
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《电工技术杂志》2001 年第 11 期
0 Vgs < Vt
Imos =
Kp
( Vgs -
Vt) V ds -
1 2
V 2ds
0 < V ds < Vgs - V
(14)
Kp 2
( Vgs
-
Vt) 2
1-
1 ΔL mos/ L mos
V ds ≥ Vgs - Vt
313 静态 I2V 特性
程 , 计算微分 。这样添加的静态特性部分 , 才能用
射2基电压 。MOSFET 部分的简单模型和双极性传输
方程联立 , 来描述 IGBT 的通态电流电压特性 。双极
性传输方程的参考直角坐标系如图 1 右侧所示 。
(1) 过剩载流子浓度方程 在正偏工作条件下 ,
BJ T 的集电极2基极结是反偏的 , 它的耗尽层宽度为
Wbcj = 2εsi ( V bc + V bi) / qNB
IGBT的设计及仿真验证
在器件构造和仿真过程中，器件剖面结构、网格、掺杂 和正向阻断电压的数据文件分别被保存在名为PROFILE、 afterregrid、IGBT和bvds的这四个文件中。
medici程序运行后输出图形：
器件网格分布图 （A）正面 （B）背面
X=0 um处掺杂分布
X=10.25 um处掺杂分布
器件纵向掺杂（含N型和P型杂质）浓度分布图
使用穿通型结构 提高少子寿命 N-漂移区尽量薄 减小沟道电阻，降低栅氧厚度 减小JFET电阻，使用沟槽栅
提高开关速度采取的措施： 降低少子寿命 采用具有N+缓冲层的PT型结构 降低PNP晶体管电流增益 开关速度和导通压降这两个参数优化有时存在着矛盾， 因此必需根据设计者的需要进行折衷考虑。
N+
P+
N+
RCH
RAC RJFET
优化正向压降步骤：
（1）对于MOS通路相关的元胞参数 栅宽LG和P-阱宽Lwell进行优化，使得 MOS通路电流密度IMOS/ACELL最大； （2）对BJT通路的另一相关参数P+ 阱宽LDP进行合理选取，使得器件的 闩锁电流阈值尽量高。
RMOD
N-
N+ P+
C
减小正向压降采取的措施：
IGBT的设计 及仿真验证
本章内容
一、IGBT结构简介
二、IGBT元胞结构设计
三、高压终端结构的设计
四、IGBT工艺流程设计
本章内容
一、IGBT结构简介
二、IGBT元胞结构设计
三、高压终端结构的设计
四、IGBT工艺流程设计
IGBT基本结构及特点
与功率MOSFET只有一层之差，即背面P型层代替N 型层； 电压控制型器件； 具有MOS器件高输入阻抗，容易控制与双极型 （BJT）器件高电流密度，低导通电阻的双重优点； 广泛应用于各种功率转换、马达驱动等电力电子装 置中；
1700V／100A平面型NPT-IGBT静态特性研究
第３ ４ 卷 第 １ 期
２ Ｏ １ ４年 ２月
固体 电 子学 研 究 与进 展
ＲＥ Ｓ Ｅ ＡＲＣ Ｈ＆Ｐ ＲＯＧＲ Ｅ Ｓ Ｓ ＯＦ Ｓ Ｓ Ｅ
Ｖｏ１ ．３ ４。 Ｎｏ ．１ Ｆｅ ｂ．。２Ｏｌ ４
＼
ｐ
硅 微 电 子 学
ｋ 、
１ ７ ０ ０ Ｖ ／ Ｉ Ｏ ０ Ａ 平 面 型 ＮＰ Ｔ － Ｉ ＧＢ Ｔ静 态 特 性 研 究
ＢＴ） ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｅ ｘｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏｇ ｙ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｅ ｄ ｂｙ ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｈ ａ ｄ ａ ｎ
Ｐｌ ａ ｎ ａ ｒ ＮＰＴ－ Ｉ ＧＢＴ
ＧＡＯ Ｍｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ＡＯ Ｇｅ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｊ Ｉ Ｎ Ｒｕ ｉ ＹＵ Ｋｕ ｎ ｓ ｈ ａ ｎ ＢＡＯ Ｈａ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ
（ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａｌ Ｅｎｇｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｎｅ ｗ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａｌ ａｎｄ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ ｓ Ｄｅ ｐａｒ ｔ ｍｅ ｎｔ，Ｓｔ ａｔ ｅ Ｇｒ ｉ ｄ Ｓｍ ａｒ ｔ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ １ ７ ０ ０ Ｖ／ ｌ Ｏ Ｏ Ａ Ｎｏ ｎ Ｐｕ ｎ ｃ ｈ Ｔｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｇａ ｔ ｅ Ｂｉ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ（ ＮＰ Ｔ— Ｉ Ｇ—
高明 超 刘 隽 赵 哿 刘 江 金 锐 于坤山 包海龙 。
２ Ｏ １ ４年 ２月
固体 电 子学 研 究 与进 展
ＲＥ Ｓ Ｅ ＡＲＣ Ｈ＆Ｐ ＲＯＧＲ Ｅ Ｓ Ｓ ＯＦ Ｓ Ｓ Ｅ
Ｖｏ１ ．３ ４。 Ｎｏ ．１ Ｆｅ ｂ．。２Ｏｌ ４
＼
ｐ
硅 微 电 子 学
ｋ 、
１ ７ ０ ０ Ｖ ／ Ｉ Ｏ ０ Ａ 平 面 型 ＮＰ Ｔ － Ｉ ＧＢ Ｔ静 态 特 性 研 究
ＢＴ） ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｅ ｘｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏｇ ｙ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｅ ｄ ｂｙ ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｈ ａ ｄ ａ ｎ
Ｐｌ ａ ｎ ａ ｒ ＮＰＴ－ Ｉ ＧＢＴ
ＧＡＯ Ｍｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ＡＯ Ｇｅ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｊ Ｉ Ｎ Ｒｕ ｉ ＹＵ Ｋｕ ｎ ｓ ｈ ａ ｎ ＢＡＯ Ｈａ ｉ ｌ ｏ ｎ ｇ
（ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａｌ Ｅｎｇｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｎｅ ｗ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａｌ ａｎｄ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ ｓ Ｄｅ ｐａｒ ｔ ｍｅ ｎｔ，Ｓｔ ａｔ ｅ Ｇｒ ｉ ｄ Ｓｍ ａｒ ｔ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ １ ７ ０ ０ Ｖ／ ｌ Ｏ Ｏ Ａ Ｎｏ ｎ Ｐｕ ｎ ｃ ｈ Ｔｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｇａ ｔ ｅ Ｂｉ ｐ ｏ ｌ ａ ｒ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ（ ＮＰ Ｔ— Ｉ Ｇ—
高明 超 刘 隽 赵 哿 刘 江 金 锐 于坤山 包海龙 。
局域寿命控制NPT-IGBTs稳态模型
si n h
L2 W2
L2
Hale Waihona Puke (11)J p ( x(2) ) =
1
1 +
b
J
+
c os h W2 - x(2)
qD2 L2
p1
L2 sinh W2
L2
c os h x(2)
-
qD2 L2
p2
si n h
L2 W2
L2
(12)
在 Ⅲ区 ,电子和空穴电流密度分别为
J n ( x(3) ) =
(18) 这里基极电流 IB 等于基区的电子电流 In ( x = W ) , 即流过 MOS 结构的电流 IMOS0 . 集电极电流 IC 等于 基区的空穴电流 IP ( x = W ) , A 为 IGB T 器件面积. 这样可获得 np n 结构的电流增益
β=
IC IB
=
p
2 0
Isne
b
n
2 i
W1 L1
-
p1 D1 L1
×
1
sinh ( W1 / L 1 )
-
p2 D3 ×
1
L 3 si nh ( W3 / L3 )
(17)
IC
=
p
2 0
Isne
b n2i
+
qA
p0 D1 cot h bL 1
W1 L1
-
p1 D1 bL 1
×
1
sinh ( W1 / L 1 )
+
p2 D3 L3
×
1
sinh ( W3 / L3 )
I n0
=
Isne
(
p
现代电力电子技术之igbt建模与仿真
现代电力电子技术IGBT建模与仿真一、IGBT结构及工作原理自上世纪80年代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世以来，逐渐取代了晶闸管和功率MOSFET等器件，在中频、中等功率变流领域获得了广泛的应用。
IGBT 克服了功率MOSFET高通态损耗的特性，同时保持了MOSFET门极电压驱动的优点。
IGBT是一种PNPN四层结构的器件，其结构剖面图和等效电路如图（1）所示。
(a) 剖面图(b) 达林顿等效结构图(1)IGBT结构剖面图及等效电路由图（1）（b）可知，IGBT相当于一个MOSFET和一个BJT的混合电路。
当在其栅极施加一个足够大的正向电压时，MOSFET内部将形成沟道，为晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
此时由于P+区的空穴注入到N-区产生电导调制效应，能够减小N-区的电阻，从而使IGBT具有较小的通态压降。
二、IGBT工作特性IGBT的工作特性分为静态特性和动态特性两种。
(1)静态特性静态特性描述了稳态情况下IGBT的电流与电压关系，最常用的是其伏安特性和转移特性。
伏安特性指的是在不同的Vge下，Ice与Vce之间的关系，如图（2）左图所示。
转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压Uge之间的关系，如图（2）右图所示。
图(2)IGBT的静态特性(2)动态特性动态特性描述了开关过程中IGBT的电压电流随时间变化的关系，分为开通特性和关断特性。
(a)开通过程 (b)关断过程图(3)IGBT的动态特性在开通过程中有两点值得关注：一是电流Ic上升率较快时，快恢复二极管的反向恢复电流将导致Ic出现尖峰，这一尖峰会引起电磁干扰等问题；二是寄生电容Cgc导致Miller效应，使Vge出现Miller平台，增加开通损耗。
在关断过程中，Cgc的分流作用使得在Vce下降过程中同样会出现Miller 平台，增加关断损耗。
此外电流下降过程中，二极管偏置导通将引起电压过冲，导致电磁干扰问题。
由于MOSFET快速关断，PNP双极管中存储的电荷不能及时释放，关断过程中还会有一个较长的拖尾电流，也增加了关断损耗。
IGBT参数建模与仿真分析
−0.57 0.72 T −13 −31 2 T N1 + 2.78 × 10 p τ = 400 + 11.76 × 10 300 300 −1
(
)
1.18 −1.77 T −31 2 T p + 400 + 3 × 10−3 N1 + × 1.83 10 300 300
2. IGBT 硅参数模型及仿真分析
IGBT 工作时不断承受功率循环与电热循环，过电压，过电流等；这些原因将诱发器件内部结构的变 化。而这些结构的变化与 IGBT 模块承受的温度密切相关。本章将详细分析温度变化对器件禁带宽度， 本征载流子，双核扩散系数等物理参数的影响，揭示 IGBT 开关速度减慢、通态压降、漏电流增大，阈 值电压突变，擎住效应等容易导致 IGBT 器件失效的电气现象的物理机理。
kT q
把上述式子(8)，(9)，(11)，(12)带入公式，可以得到高温时双极扩散系数表达式[9]
= D A
2k 11.2 × 107 T −0.94 × q 2.9 + 38.54T −0.73
(13)
式中： k 为硅玻尔兹曼常数= k 1.38 × 10−23 J K ， q 为电子电荷 = q 1.602 × 10−19 C 。
(Leabharlann )−1(3)
而在较高温度的情况下，载流子寿命模型只是温度的函数。 对于低掺杂基区 n = p < 1017 cm −3 ，对上式简化得到载流子寿命为：
(
)
τ (T ) = τ 0
T 300
1.7
(4)
其中， τ 0 为 300 K 时载流子寿命，载流子在 300 K 时的经验值为 2.5。 2.1.3. 本征载流子浓度 在本征半导体中，导电电子和空穴对仅能通过价键破裂而产生，电子和空穴成对生成，因此，电子 的浓度等于空穴浓度，这个浓度成为半导体的本征载流子浓度 ni ；其是晶格振动能量的函数，故而也是 温度的函数，它和温度、禁带宽度有关系，理论表达式为：
(
)
1.18 −1.77 T −31 2 T p + 400 + 3 × 10−3 N1 + × 1.83 10 300 300
2. IGBT 硅参数模型及仿真分析
IGBT 工作时不断承受功率循环与电热循环，过电压，过电流等；这些原因将诱发器件内部结构的变 化。而这些结构的变化与 IGBT 模块承受的温度密切相关。本章将详细分析温度变化对器件禁带宽度， 本征载流子，双核扩散系数等物理参数的影响，揭示 IGBT 开关速度减慢、通态压降、漏电流增大，阈 值电压突变，擎住效应等容易导致 IGBT 器件失效的电气现象的物理机理。
kT q
把上述式子(8)，(9)，(11)，(12)带入公式，可以得到高温时双极扩散系数表达式[9]
= D A
2k 11.2 × 107 T −0.94 × q 2.9 + 38.54T −0.73
(13)
式中： k 为硅玻尔兹曼常数= k 1.38 × 10−23 J K ， q 为电子电荷 = q 1.602 × 10−19 C 。
(Leabharlann )−1(3)
而在较高温度的情况下，载流子寿命模型只是温度的函数。 对于低掺杂基区 n = p < 1017 cm −3 ，对上式简化得到载流子寿命为：
(
)
τ (T ) = τ 0
T 300
1.7
(4)
其中， τ 0 为 300 K 时载流子寿命，载流子在 300 K 时的经验值为 2.5。 2.1.3. 本征载流子浓度 在本征半导体中，导电电子和空穴对仅能通过价键破裂而产生，电子和空穴成对生成，因此，电子 的浓度等于空穴浓度，这个浓度成为半导体的本征载流子浓度 ni ；其是晶格振动能量的函数，故而也是 温度的函数，它和温度、禁带宽度有关系，理论表达式为：
局域寿命控制NPT-IGBTs稳态模型
一
ＭＯＳ结 构 ． 用 Ｈｅｎ ｒ 采 ｆ ｅ 对普 通 Ｉ Ｔ描述 ： 件在 ＧＢ 器 导 通状 态下 ， 射结 的大 量 空穴注 入 ｎ基 区 ， 成大 发 形
密度 的空穴 电流 ； 与此 同时 ， 发射结 也存 在背 注 入 电
图 ２给 出分 析 局 域 寿 命 控 制 ＮＰ —ＧＢ 时所 ＴＩ Ｔ 采用 的坐标 系 ． 中 ， 其 发射 结 为 儿 ， 电结 为 Ｊ ， 集 ２ ｗ。 为集 电结 的冶 金 结 位 置 ， 为 中 性 基 区宽 度 ． 域 ｗ 局 寿命控 制 区将 整个 中性 基 区分 成 了 三个 部 分 ， 们 它 分别 为 Ｉ， Ⅲ区 ． 中 ， Ⅱ， 其 Ⅱ区 为 局 域 寿 命 控 制 区 （ 在 。 ～ 区域 内 ） 对 应 于 这 三 个 区 域 的 大 注 入 ． 寿命 和双 极 扩 散 系 数 分 别 为 ｒ ， ，。和 Ｄ－ Ｄｚ 。 ｚ ｒ ， ， Ｄ３ 宽 度分 别为 ｗ１ ｗ２ ｗ３ ， ， ， ．
方 蒋 平 明 张 李 健 华 乔 波 肇基
（ 子 科 技 大 学 微 电 子 与 固体 电 子学 院 ，成 都 ６ ０ ５ ） 电 １０ ４
摘要 ：提出 了局域寿命控制下 的值仿 真 比较 ， 明模 型结果 和仿 真结果 表 能较好地吻合 ． 基于该模 型， 详细地分析 了局域 寿命 区 的参数 对器 件正 向特性 的影 响 ． 通过 对 基 区空穴 浓度 的分 析， 澄清了长期 以来对 于最优局域低寿命区位置的不 同看法 ， 将各种结论统一起来 ．
＊国 家军 事 电 子 预研 基 金 （ 准 号 ：１ ０ ０ ０ ０ ） 武 器 装 备 预 研 基 金 （ 准 号 ：１０ ０ ０ ０ ＤＺ ２ ５ 资 助 项 目 批 ４３８２４５ 。 批 ５４８３４４ ０１） ｔ 通 信 作 者 ． ｍａｌｆ ｅｔ＠ ｕｓｃｅ ｕ ｃ Ｅ ｉ： ｕｓｃ ｅｔ，ｄ ＋ｎ ｊ ２ ０ ．４２ 到 。０ ５０ ．３定 稿 ０ ５０ ．８收 ２ ０ ．９２ ＠２０ ０ ６中 国 电 子 学 会
ＭＯＳ结 构 ． 用 Ｈｅｎ ｒ 采 ｆ ｅ 对普 通 Ｉ Ｔ描述 ： 件在 ＧＢ 器 导 通状 态下 ， 射结 的大 量 空穴注 入 ｎ基 区 ， 成大 发 形
密度 的空穴 电流 ； 与此 同时 ， 发射结 也存 在背 注 入 电
图 ２给 出分 析 局 域 寿 命 控 制 ＮＰ —ＧＢ 时所 ＴＩ Ｔ 采用 的坐标 系 ． 中 ， 其 发射 结 为 儿 ， 电结 为 Ｊ ， 集 ２ ｗ。 为集 电结 的冶 金 结 位 置 ， 为 中 性 基 区宽 度 ． 域 ｗ 局 寿命控 制 区将 整个 中性 基 区分 成 了 三个 部 分 ， 们 它 分别 为 Ｉ， Ⅲ区 ． 中 ， Ⅱ， 其 Ⅱ区 为 局 域 寿 命 控 制 区 （ 在 。 ～ 区域 内 ） 对 应 于 这 三 个 区 域 的 大 注 入 ． 寿命 和双 极 扩 散 系 数 分 别 为 ｒ ， ，。和 Ｄ－ Ｄｚ 。 ｚ ｒ ， ， Ｄ３ 宽 度分 别为 ｗ１ ｗ２ ｗ３ ， ， ， ．
方 蒋 平 明 张 李 健 华 乔 波 肇基
（ 子 科 技 大 学 微 电 子 与 固体 电 子学 院 ，成 都 ６ ０ ５ ） 电 １０ ４
摘要 ：提出 了局域寿命控制下 的值仿 真 比较 ， 明模 型结果 和仿 真结果 表 能较好地吻合 ． 基于该模 型， 详细地分析 了局域 寿命 区 的参数 对器 件正 向特性 的影 响 ． 通过 对 基 区空穴 浓度 的分 析， 澄清了长期 以来对 于最优局域低寿命区位置的不 同看法 ， 将各种结论统一起来 ．
＊国 家军 事 电 子 预研 基 金 （ 准 号 ：１ ０ ０ ０ ０ ） 武 器 装 备 预 研 基 金 （ 准 号 ：１０ ０ ０ ０ ＤＺ ２ ５ 资 助 项 目 批 ４３８２４５ 。 批 ５４８３４４ ０１） ｔ 通 信 作 者 ． ｍａｌｆ ｅｔ＠ ｕｓｃｅ ｕ ｃ Ｅ ｉ： ｕｓｃ ｅｔ，ｄ ＋ｎ ｊ ２ ０ ．４２ 到 。０ ５０ ．３定 稿 ０ ５０ ．８收 ２ ０ ．９２ ＠２０ ０ ６中 国 电 子 学 会
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IGBT 可看作 MOSFET 驱动的 BJ T , 并且这个 BJ T —4 —
311 IGBT 中 BJT 的模型分析 从结 构 图 来 看 , IGBT 相 当 于 一 个 由 MOSFET
驱 动 的 BJ T , 其 等 效 电 路 如 图 2 所 示 。在 模 型
图 2 NPT2IGBT 等效电路图
中性基区的靠发射极和集电极边缘处的多数载流子 浓度不同引起的 。在高增益 、窄基区的晶体管中 , 式 (12) 的欧姆电压降被忽略 , 认为电压全部降落 在 PN 结上 。 312 IGBT 中 MOSFET 的模型分析
沟道电流采用对饱和特性进行改进的模型 [ 6 ]
P0/ ln [ ( P0/ NB) csch ( W/ L ) ] 。式中第二项是由在
1 引言
电力电子电路的仿真的关键是电力电子器件的 仿真 , 电力电子器件的模型直接影响仿真的范围 、 效果和精确程度 。自 80 年代绝缘栅双极型晶体管 ( IGBT) 问世以来 , 它的仿真模型的建立一直受到人 们的广泛关注 。国外的一些文献已经讨论了构造 IGBT 模型的方法 。Hefner[1]和 Kraus[2]是其中对模型 特性描述比较全面 、具有代表性的两类模型 。在这 两类模型的理论基础上 , Kuang Shen[3]等发展了模型 的某些特性 , 建立了改进模型 。这些模型最终添加 到 Saber 仿真软件包中 , 以实现模型的动态仿真 。 但 Saber 仿真环境价格较昂贵 , 国内应用并不十分 广泛 。本文将利用 MATLAB , 实现非穿通型绝缘栅 双极晶体管的静态特性 , 为实现 MATLAB 中动态仿 真提供前提条件 。
—6 —
图 3 600V/ 20A IGBT伏安特性
图 4 600V/ 20A IGBT饱和特性
5 结论
与传统的双极性晶体管模型相比较 , 此模型考
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
0 Vgs < Vt
Imos =
Kp
( Vgs -
Vt) V ds -
1 2
V 2ds
0 < V ds < Vgs - V
(14)
Kp 2
( Vgs
-
Vt) 2
1-
1 ΔL mos/ L mos
V ds ≥ Vgs - Vt
313 静态 I2V 特性
程 , 计算微分 。这样添加的静态特性部分 , 才能用
- μDnln
P0 + NB NB
(12)
式中
—5 —
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《电工技术杂志》2001 年第 11 期
得到 Imsaots与 P0 的关系 。
4 静态特性的 S2function 描述
对于 IGBT 的静态特性 , 可以直接编程实现 , 但 为了在 MATLAB 仿真环境 simulink 中最终实现 IGBT 模型的动态仿真 , 采用 simulink 中提供的 S2function 模型构造语言完成模型的静态特性的描述 。因为 MATLAB 描述状态方程形式的模型较为方便 , 所以 把 IGBT 模型看作一个连续系统 。
射2基电压 。MOSFET 部分的简单模型和双极性传输
方程联立 , 来描述 IGBT 的通态电流电压特性 。双极
性传输方程的参考直角坐标系如图 1 右侧所示 。
(1) 过剩载流子浓度方程 在正偏工作条件下 ,
BJ T 的集电极2基极结是反偏的 , 它的耗尽层宽度为
Wbcj = 2εsi ( V bc + V bi) / qNB
又由于基区载流子总电荷 Q = qA δp ( x) d x 得 0
到 ,对上式积分得
Q
=
qP0 ALtanh
W 2L
(7)
第一个边界条件是设发射结处的载流子浓度 P0 为
模型参数 , 作为模型中间变量 ; 而第二个边界条件
规定在耗尽区边缘 x = W 处 , 过剩载流子浓度为零 ,
这是因为集电结反偏 , 到达这里的任何少数载流子
(4)
准中性基区的宽度为
W = WB - Wbcj
(5)
则在稳态时 9δp/ 9 t = 0 , 并且利用边界条件
9 p/ 9 x| x = 0 = P0 , 9 p/ 9 x| x = W = 0 求解方程 (3)
δp ( x)
=
P0
sinh[ ( W sinh ( W/
x) / L)
L
]
(6)
∫W
因为 IGBT 的集电极和发射极之间的电压降 V 于 simulink 的动态仿真 。
为 MOSFET 的源极2漏极压降和 BJ T 的集电极2发射极
以下给出 MATLAB 中得到的静态特性如图 3 、
压降的总和
图 4 所示 。
V = V ds + Veb
(15)
IGBT 总电流 I 为 P0 的二次函数 , 而 Ved为 I 和 P0 的
是一个轻掺杂 、宽基区 、低增益 ( In～ Ip ) 的双极 性晶体管 , 这与传统的高增益 、低注入的 BJ T 不同 。 使得传统 BJ T 模型不能应用在这里 , 很多行为模型 简单地用模型库中的 MOS 和 BJ T 模型复合为 IGBT 模型是很不准确的 。
图 1 NPT2IGBT 元胞结构图及模型坐标
《电工技术杂志》2001 年第 11 期
·研究与开发 ·
NPT 型 IGBT 静态模型分析及仿真
廖家平 刘劲楠 (湖北工学院 430064)
摘 要 对非穿通型绝缘栅双极晶体管 (NPT2IGBT) 的静态工作特性进行了理论分析 。从 IGBT 结构入手 , 把它看作 MOSFET 驱动的 BJ T , 从其包含的 BJ T 和 MOSFET 分别讨论 。并且对比 了传统 BJ T 模型和 IGBT 中包含的 BJ T 模型的分析方法 , 详细讨论了用双极传输方程分析 BJ T 模 型 。在 MATLAB 的仿真环境中添加相应的模型描述语言 S2function , 实现静态特性 , 为实现动态 仿真提供前提条件 。 关键词 非穿通型绝缘栅双极晶体管静态模型 双极传输方程 模型描述语言
Veb = (φpej - φnej) + (φnej - φnb)
(11)
式中 φpej - φnej ———电子在发射极中准费密级电压 降 , 由式 (8) 给出
φnej - φnb ———电子在准中性基区中准费密级
电压降
∫ φnej - φnb = -
W 0
dφn ( x) dx
dx
=
(1
I ·W + 1/ b) μn Aqneff
点的总电流相等 , 即 9 I/ 9 x = 0 , 代入空穴连续方程
得双极扩散方程
92δp 9 x2
=
δp
L2
+
1 D
9δp 9t
(3)
式中 L = DτHL为双极扩散长度
Hefner IGBT 模 型 中 用 一 系 列 参 数 方 程 来 表 示
IGBT 中的 BJ T 的发射极和基极电流 、载流子浓度 、
(8)
则基极和发射极的电流可从式 (1) 、(2) 、(6) 、(8) 得
到
IB
=
In ( W)
=
P20 Isne n2i
+
qP0 AD ·
L
cosh
W L
-
1 sinh ( W/ L )
(9)
IC =
Ip ( W)
=
P20 Isne bn2i
+
qP0 AD ·
L
cosh ( W/ L )
b
+
会立刻被电场扫到集电极去 。等式 (7) 只在静态
时 , Q 和 P0 的关系才满足 。
(2) 集电极和基极电流方程 在大注入条件下 ,
利用准平衡近似 , 可推出从发射极注入的电子电流
为
In (0) I sne
=
exp
q kT
(φpej
-
φnej)
=
P0 ( NB + n2i
P0)
≈
P20 n2i
由于在实际工作范围内 , IGBT 中的这个双极性 晶体管 (BJ T) 处于低增益 、大注入状态 , 电子和空 穴电流相互耦合 , 因此不能分开处理电子和空穴 , 必须用双极传输方程来描述 。这里利用了 IGBT 的总 电流 I 与位置无关 , 即 I = In + Ip , 消去双极传输方 程中的电场得到 。
函数 , 在静态时把 Imos = In ( W) 代入 MOSFET 伏2
安特性公式 (14) 中 , 则 Vds也为 Vgs和 P0 的函数 。
消去中间变量 P0 , 则得到伏安特性 。
当 把 MOSFET 中 饱 和 电 流 Imsaots = Kp ( Vgs -
Vds) 2/ 2 的关系式代入 In ( W) 的表达式 (9) 中时 ,
电子和空穴的电流的传输方程 [ 1 ]
In
=
1
b +
bI
+
qAD
9n 9x
(1)
Ip
=
1
b +
bI
-
qAD
9p 9x
(2)
式中 b = μn/ μp
D = 2 Dn Dp/ ( Dn + Dp) 以上的两个表达式都与总电流 I 有关 , 且不能
311 IGBT 中 BJT 的模型分析 从结 构 图 来 看 , IGBT 相 当 于 一 个 由 MOSFET
驱 动 的 BJ T , 其 等 效 电 路 如 图 2 所 示 。在 模 型
图 2 NPT2IGBT 等效电路图
中性基区的靠发射极和集电极边缘处的多数载流子 浓度不同引起的 。在高增益 、窄基区的晶体管中 , 式 (12) 的欧姆电压降被忽略 , 认为电压全部降落 在 PN 结上 。 312 IGBT 中 MOSFET 的模型分析
沟道电流采用对饱和特性进行改进的模型 [ 6 ]
P0/ ln [ ( P0/ NB) csch ( W/ L ) ] 。式中第二项是由在
1 引言
电力电子电路的仿真的关键是电力电子器件的 仿真 , 电力电子器件的模型直接影响仿真的范围 、 效果和精确程度 。自 80 年代绝缘栅双极型晶体管 ( IGBT) 问世以来 , 它的仿真模型的建立一直受到人 们的广泛关注 。国外的一些文献已经讨论了构造 IGBT 模型的方法 。Hefner[1]和 Kraus[2]是其中对模型 特性描述比较全面 、具有代表性的两类模型 。在这 两类模型的理论基础上 , Kuang Shen[3]等发展了模型 的某些特性 , 建立了改进模型 。这些模型最终添加 到 Saber 仿真软件包中 , 以实现模型的动态仿真 。 但 Saber 仿真环境价格较昂贵 , 国内应用并不十分 广泛 。本文将利用 MATLAB , 实现非穿通型绝缘栅 双极晶体管的静态特性 , 为实现 MATLAB 中动态仿 真提供前提条件 。
—6 —
图 3 600V/ 20A IGBT伏安特性
图 4 600V/ 20A IGBT饱和特性
5 结论
与传统的双极性晶体管模型相比较 , 此模型考
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
0 Vgs < Vt
Imos =
Kp
( Vgs -
Vt) V ds -
1 2
V 2ds
0 < V ds < Vgs - V
(14)
Kp 2
( Vgs
-
Vt) 2
1-
1 ΔL mos/ L mos
V ds ≥ Vgs - Vt
313 静态 I2V 特性
程 , 计算微分 。这样添加的静态特性部分 , 才能用
- μDnln
P0 + NB NB
(12)
式中
—5 —
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《电工技术杂志》2001 年第 11 期
得到 Imsaots与 P0 的关系 。
4 静态特性的 S2function 描述
对于 IGBT 的静态特性 , 可以直接编程实现 , 但 为了在 MATLAB 仿真环境 simulink 中最终实现 IGBT 模型的动态仿真 , 采用 simulink 中提供的 S2function 模型构造语言完成模型的静态特性的描述 。因为 MATLAB 描述状态方程形式的模型较为方便 , 所以 把 IGBT 模型看作一个连续系统 。
射2基电压 。MOSFET 部分的简单模型和双极性传输
方程联立 , 来描述 IGBT 的通态电流电压特性 。双极
性传输方程的参考直角坐标系如图 1 右侧所示 。
(1) 过剩载流子浓度方程 在正偏工作条件下 ,
BJ T 的集电极2基极结是反偏的 , 它的耗尽层宽度为
Wbcj = 2εsi ( V bc + V bi) / qNB
又由于基区载流子总电荷 Q = qA δp ( x) d x 得 0
到 ,对上式积分得
Q
=
qP0 ALtanh
W 2L
(7)
第一个边界条件是设发射结处的载流子浓度 P0 为
模型参数 , 作为模型中间变量 ; 而第二个边界条件
规定在耗尽区边缘 x = W 处 , 过剩载流子浓度为零 ,
这是因为集电结反偏 , 到达这里的任何少数载流子
(4)
准中性基区的宽度为
W = WB - Wbcj
(5)
则在稳态时 9δp/ 9 t = 0 , 并且利用边界条件
9 p/ 9 x| x = 0 = P0 , 9 p/ 9 x| x = W = 0 求解方程 (3)
δp ( x)
=
P0
sinh[ ( W sinh ( W/
x) / L)
L
]
(6)
∫W
因为 IGBT 的集电极和发射极之间的电压降 V 于 simulink 的动态仿真 。
为 MOSFET 的源极2漏极压降和 BJ T 的集电极2发射极
以下给出 MATLAB 中得到的静态特性如图 3 、
压降的总和
图 4 所示 。
V = V ds + Veb
(15)
IGBT 总电流 I 为 P0 的二次函数 , 而 Ved为 I 和 P0 的
是一个轻掺杂 、宽基区 、低增益 ( In～ Ip ) 的双极 性晶体管 , 这与传统的高增益 、低注入的 BJ T 不同 。 使得传统 BJ T 模型不能应用在这里 , 很多行为模型 简单地用模型库中的 MOS 和 BJ T 模型复合为 IGBT 模型是很不准确的 。
图 1 NPT2IGBT 元胞结构图及模型坐标
《电工技术杂志》2001 年第 11 期
·研究与开发 ·
NPT 型 IGBT 静态模型分析及仿真
廖家平 刘劲楠 (湖北工学院 430064)
摘 要 对非穿通型绝缘栅双极晶体管 (NPT2IGBT) 的静态工作特性进行了理论分析 。从 IGBT 结构入手 , 把它看作 MOSFET 驱动的 BJ T , 从其包含的 BJ T 和 MOSFET 分别讨论 。并且对比 了传统 BJ T 模型和 IGBT 中包含的 BJ T 模型的分析方法 , 详细讨论了用双极传输方程分析 BJ T 模 型 。在 MATLAB 的仿真环境中添加相应的模型描述语言 S2function , 实现静态特性 , 为实现动态 仿真提供前提条件 。 关键词 非穿通型绝缘栅双极晶体管静态模型 双极传输方程 模型描述语言
Veb = (φpej - φnej) + (φnej - φnb)
(11)
式中 φpej - φnej ———电子在发射极中准费密级电压 降 , 由式 (8) 给出
φnej - φnb ———电子在准中性基区中准费密级
电压降
∫ φnej - φnb = -
W 0
dφn ( x) dx
dx
=
(1
I ·W + 1/ b) μn Aqneff
点的总电流相等 , 即 9 I/ 9 x = 0 , 代入空穴连续方程
得双极扩散方程
92δp 9 x2
=
δp
L2
+
1 D
9δp 9t
(3)
式中 L = DτHL为双极扩散长度
Hefner IGBT 模 型 中 用 一 系 列 参 数 方 程 来 表 示
IGBT 中的 BJ T 的发射极和基极电流 、载流子浓度 、
(8)
则基极和发射极的电流可从式 (1) 、(2) 、(6) 、(8) 得
到
IB
=
In ( W)
=
P20 Isne n2i
+
qP0 AD ·
L
cosh
W L
-
1 sinh ( W/ L )
(9)
IC =
Ip ( W)
=
P20 Isne bn2i
+
qP0 AD ·
L
cosh ( W/ L )
b
+
会立刻被电场扫到集电极去 。等式 (7) 只在静态
时 , Q 和 P0 的关系才满足 。
(2) 集电极和基极电流方程 在大注入条件下 ,
利用准平衡近似 , 可推出从发射极注入的电子电流
为
In (0) I sne
=
exp
q kT
(φpej
-
φnej)
=
P0 ( NB + n2i
P0)
≈
P20 n2i
由于在实际工作范围内 , IGBT 中的这个双极性 晶体管 (BJ T) 处于低增益 、大注入状态 , 电子和空 穴电流相互耦合 , 因此不能分开处理电子和空穴 , 必须用双极传输方程来描述 。这里利用了 IGBT 的总 电流 I 与位置无关 , 即 I = In + Ip , 消去双极传输方 程中的电场得到 。
函数 , 在静态时把 Imos = In ( W) 代入 MOSFET 伏2
安特性公式 (14) 中 , 则 Vds也为 Vgs和 P0 的函数 。
消去中间变量 P0 , 则得到伏安特性 。
当 把 MOSFET 中 饱 和 电 流 Imsaots = Kp ( Vgs -
Vds) 2/ 2 的关系式代入 In ( W) 的表达式 (9) 中时 ,
电子和空穴的电流的传输方程 [ 1 ]
In
=
1
b +
bI
+
qAD
9n 9x
(1)
Ip
=
1
b +
bI
-
qAD
9p 9x
(2)
式中 b = μn/ μp
D = 2 Dn Dp/ ( Dn + Dp) 以上的两个表达式都与总电流 I 有关 , 且不能