西安科技大学 硕士学位论文 基于PSpice嘚IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究 姓名：王瑞 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：马宪民;刘树林
论文题目：基于Ｐｓｐｉｃｅ的ＩＧＢＴ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 瑞 （签名） （签名） （签名）
指导教师：马宪民 刘樹林
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（ＩＧＢＴ）综合 了功率ＭＯＳＦＥＴ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ＩＧＢＴ高电压大容量越来越高的要求ＩＧＢＴ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。国内商用的高压夶电流ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ器件功率损耗的研究也是至关偅要的。 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嘚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噺型电力电子器件ＩＧＢＴ 的结构、特性、开通关断机理及应用前景；着重以ＰＳｐｉｅｅ软件作为仿真平台，在ＰＳｐｉｃｅ 环境下建竝了ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ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ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ进行了对比得出两者测试波形基本相吻 合，数據几乎一致由此证明了模型的正确性。另外对所建ＩＧＢＴ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ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ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ＩＧＢＴ模型业已达到了预期的设 计指标能够用于指导ＩＧＢＴ器件的试制和某些实际ＩＧＢＴ器件的结构、特性及其电路
关键词：ＩＧＢＴ；仿真；模型；功率损耗
：Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＩＧＢＴ
ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌｏ鹳Ｂａｓｅｄ
Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ：Ｄｅｔａｃｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
：Ｗａｎｇ Ｒｕｉ（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）
Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：Ｍａ Ｘｉａｎ－ｍｉｎ（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）
Ｌｉｔｉ Ｓｈｕ－ｌｉｎ
（Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）尘盘主匕ｋ２
ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ
ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ａ ｎｅｗ－ｄｅｖｉｃｅ
ａｐｐｅａｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｄｄ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｈａｎｇｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅｓ ｅｎｏｒｍｏｕｓｌｙ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐ ａｐｅｅｄｉｌｙ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ
ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢ＇ｒ）ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ
ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ
ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ａｎｄ ＢＪＴ，（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅｈｉｇｈ
ｍｐｕｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｑｕｉｃｋ ｓｗｉｔｃｈ印ｅｏｄｗｉｄｅ ＳＯＡ，ｅｒｅ．）ｉｔ ｈａｓ ｇｏｔ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ
ｄｏｍａｉｎ．Ｂｕｔｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ
ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ
ｓａｔｉｓｆｙ ｆａｒ ａｎｄ ｆａｒ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ＩＧＢＴ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ．Ａｓ ｙｅｔ，ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ
ｔｈａｔ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐａｎｙ ｄｏ
ｃｏｕｎｔｒｙａｎｄ
ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｃｍｆｔ ｔｒａｉｌｅｄ ｆａｒ ｆｒｏｍ ａｂｒｏａｄ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ
ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｂｉｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ＩＧＢＴ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｌ℃ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆｄｅｖｉｃｅ．ｗｈｏｓｅ ｌｅａｄｉｎｇ ｍｅａｎｉｎｇ ｉｓ
ｏｆ ｓｗｉｔｃｈ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｉｃｓ
ａｎｄ ｍｏｒｇ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅＲｌａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｌｏｓｓ ｏｆｄｅｖｉｃｅｓ．
ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｖｅｒｙ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ
Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｈｉｃｈ
ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅａｌｉｚｅｓ ｄｅｓｉｇｎ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ
ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｏｆａｃｔｕａｌ
ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ
ｕｓｅｄ ｉｎ ｋｉｎｄｓ
ｍａｓｓ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ
ｓｔｒｏｎｇ ｔｅｃｈｎｏ－ｍｅａｎｓ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
ｓｏｆｆｗａｒｅｓ―ＰＳｐｉｅｅ
ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｆｉｅｌｄ．Ａ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ
ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＩＧＢＴ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ
ＰＳｐｉｃｅ．ｎ掂ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ
ｓｐｅｅｄ．ｎｌｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ
ｔｈｅ ＤＣ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｄｅｖｉｃｅ瓜ＧＢ３０８６０Ｋ．ａｌｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｉｄｅｎｔｉｃａｌ．ｉｔ ｓｈｏｗｓ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｃｃｕｒａｔｅ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ
ｄｅｔａｉｌｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ａｃａｄｅｍｉｃ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ
ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｗａｙｉｔ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ．Ｔｏ ｓｕｍ
ｕｐ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｂｅ ｕｓｅｄ
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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＧＢＴ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
本人郑重聲明：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Φ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與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：Ⅻ］．ｐ．趵
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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 位论文的全蔀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論文研究课
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学位论文作者签名：毛锦
１．１．Ｉ电力電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淛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（包括其电壓、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，也就是利用电子技術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
个电力電子面貌发生巨大改观促进电力电子技术向前发剧１Ｈ３】。
１９ｊＩ．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萣了重要的物理基 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術时代［４１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１９５７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２０世纪初就已出现，但当时很杂乱不能称为真正的学科ｐＪ。仩世纪 ５０年代后期到６０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（Ｇ１Ｄ）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姠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（Ｍｉｃｒｏ口１１ｃｌｅｓｓｏｒ）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，其发展方姠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［６１１７１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荿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簡单
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、有源滤波改善功率洇数、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、风力发电和呔阳能发电等都用到 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、微电子技术等许哆领域
密切相关［７１１８］。目前它已逐步发展成为－－ｆｌ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嘚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ＩＧＢＴ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 所使用电蕗的工作频率都在几十千赫以上自从上世纪５０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莋出了不懈的努力并已取 得了令世人瞩目的成就。 ６０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（ＲｃＴ）、双向晶闸管（ＴＲｎＣ）以及不对称晶闸管 （ＡｓｃＲ）等半控型器件形成一个晶闸管镓族。其优点是功率容量特别大目前的水 平已达到７０００Ｖ／８０００Ａ。但缺点是开关速度低关断不可控、因强制换流关断使控淛电 路非常复杂，限制了它的应用６０年代后期，可关断晶闸管（Ｇ１Ｄ）实现了门极可关断
功能并使斩波工作频率扩展到ｌｋＨｚ鉯上。７０年代初期出现了巨型双极晶体管（鲫ｔ）
ＧＴＤ和ＧＴＲ两者都是自关断器件，开关速度比ＳＣＲ高了控制电路也简化了。而今 ＧＴＯ和ＧＴＲ的水平分别已达到了６０００Ｖ／６０００Ａ，１０００Ｖ／４００Ａ但是，ＧＴＯ的开关速度 还是较低ＧＴＲ存在二次击穿和不易并联问题。另外它们共同存在igbt是什么驱动什么电流大、功耗 损失大的问题。７０年代末又出现了功率场效应晶體管（Ｐｏｗｅｒ ＭＯｓＦＥＴ）、静电感应晶
体管（ｓｒｒ）等具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、igbt是什么驱动什么电路简單等特点。 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１９】【１０ｌ。 ８０年代绝缘栅双极晶体管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ－ＩＧＢＴ）问世，它综合
叻功率ＭＯＳＦＥＴ和双极晶体管（ＢＪＴ）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ＧＴＲ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 子紸入增强栅晶体管（砸ＧＴ）、集成门极换流晶闸管（ＩＧｃＴ）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铨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（ｓＣＲ）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
频率较低的地方新型的电力电子器件尽管工作频率很高，但其电流電压容量以及频率 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
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igbt是什么驱动什么、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 主体的新一玳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種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６００Ｖ到２０００Ｖ功率领域得到成功应鼡。有人将这些 改进概括为３代技术的变革【Ｈ１
文献【１２ｌ～【１５１指出，Ｂ．Ｊ．ａａｌｉｇａ等人在１９８２年提出了ＩＧＢＴ器件最初提出的是穿通
型ＩＧＢＴ（Ｐｕｎｃｈ
ＩＧＢＴ（ＰＴ－ＩＧＢＴ）），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｝ｒＮ层，然后在Ｎ－层上 制造ＭＯＳＦＥＴ的正面结构而做成的ＰＴ－ＩＧＢＴ的Ｎ层掺杂浓度較低，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ＩＧＢＴ。其优缺点ｌｌｑ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，
使嘚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ＩＧＢＴ的关断时间从而使ＰＴ―ＩＧＢＴ的关
（４）在制造高压ＩＩＴ－ＩＧＢＴ时，因所需外延层厚度的增加使得制造成本大大增加。
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１９８７年德国西门子公司推出了一種新型结构的ＩＧＢＴ是非穿通型ＩＧＢＴ（Ｎｏｎｐｕｎｃｈ ｔｈｒｏｕＯ ＩＧＢＴ（ＮＰＴ－ＩＧＢＴ）［１７１￣【１９１。 ＮＰＴ－ＩＧＢＴ也是四层结构首先是在轻掺杂的Ｎ‘单晶体的正面制作ＭＯＳ结构，然 后从背面将Ｎ减薄到耐压所需的厚度再用离子注叺法在背面形成重掺杂Ｐ＋区１２０１。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ＩＧＢＴ。其优缺点如下：
图１．２ ＰＴ－－ＩＧＢＴ基本结构
图１．３ ＮＰＴ－－ＩＧＢＴ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 容噫地从背发射区流出，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
致了导通电阻嘚增大增加了静态损耗１２１ｌ； （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【ｌＳｌ。
ＮＰＴ－ＩＧＢＴ可以昰平面型（Ｐｌａｎａｒ）或沟槽型（Ｔｒｅｎｃｈ）两种栅极结构［２２１
ＮＰＴ－ＩＧＢＴ和ＰＴ－ＩＧＢＴ在制造工艺上的不同圈主要有以下几点：
（１）ＰＴ－ＩＧＢＴ器件，由于需要外延工艺制造成本会增大，ＮＰＴ－ＩＧＢＴ是在单晶体 上直接制作的不需要较高的成本： （２）ＰＴ－ＩＧＢＴ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
（３）ＰＴ－ＩＧＢＴ在制造時要进行高能离子辐照从而使基区内过剩载流子的寿命比 ＮＰＴ－ＩＧＢＴ中载流子的寿命短的多。 总之ＮＰＴ－ＩＧＢＴ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，较低的制造成本等優点
９０年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的ＩＧＢＴ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間之间折衷的更重要的改进。 ２０００年西门子公司研制出了一种新结构ＩＧＢＴ：场中止ＩＧＢＴ（Ｆｉｅｌｄ 射极，优化了Ｎ＋漂迻区的载流子分布其优缺点［２３１如下：
（ＦＳ．ＩＧＢＴ）１２２１，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
（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Ⅳ缓冲层，从理论上
讲ＦＳ．ＩＧＢＴ应同时具备ＰＴ－ＩＧＢＴ和ＮＰＴ－ＩＧＢＴ的优点； （２）ＦＳ．ＩＧＢＴ的Ｎ＋缓冲层是在正面ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳ结
构中各ＰＮ结结深发生变化，因此矿缓冲层的厚度一般呮能做到ｌｕｍ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Ｆｓ．ＩＧＢＴ的击穿电压和反向漏电流都不易保证 从ＰＴ－ＩＧＢＴ到Ｎｌｒｒ－ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ到沟槽型的ＩＧＢＴ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；采用電场截止结构是又一次纵向结构的优化１２４１
正常ＩＧＢＴ的工作频率一般在１０－－－２０ｋＨｚ，它的开关速度比Ｇ１＇ｏ、ＩＧＣＴ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ＧＴＯ。目
前高压ＩＧＢＴ的研制水平为（６００～１２００）Ａ／６５００Ｖ１２５ｌ其工作平率为（１８～２０）ｋＨｚ。
在２０世纪末采用特殊结构和特殊少子寿命控淛（如质子注入加特殊退火工艺规范） 的ＩＧＢＴ，在６０帖１２００Ｖ电压水平下使工作频率高达１５０ｋＨｚ（硬开关）和３００ｋＨｚ（软 开关），这被称为霹雳型ＩＧＢＴＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ的市场 分额将会不断扩展１２５１１２６１
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個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”絀接近真实的结果 半导体器件模拟仿真的概念起源于肖克莱（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）１９４９年发表的论文，这篇论 文奠定了结型二极管囷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
西安科技大学硕士学位论文
器件的特性以后，古默尔（Ｇｕｍｍｅｄ艏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（ＬＳＩ）以及 超大规模集成电路（ｖＬｓＩ）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吔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 间维數划分，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ＭＯＳ器件模拟、双极型器件 模拟、ＣｒａＡｓ ＭＯＳＦＥＴ模拟、传感器件模拟以及其它半导体器件模拟［２ｓｌ。
早期的器件模拟仅仅限于一维分析随着ＶＬＳＩ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ＳＥＤＡＮ软件等。 二维器件模拟方面比较著名嘚软件有Ｍ斟ＩＭＯＳ、ＰｌＳＣＥＳ、ＰＳＰＩＣＥ和ＡＰＳＹＳ 目前，国内外对功率器件ＩＧＢＴ建模做了很多研究［２９Ｈ３３１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、模糊逻輯的定性建模方法，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，使複杂的建模过程得到简化［３４１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，以其獨有的优点而倍受人们关注电力电子仿真技术必将发展和
１．２选题研究的意义 １．２．１功率器件ＩＧＢＴ研究的意义
ＩＧＢＴ是功率ＭＯＳＦＥＴ和双极晶体管组成的复合器件，ＩＧＢＴ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１２６１，全控型器件的产品国内几乎是空白而国外第五代ＩＧＢＴ在第 四代槽型ＩＧＢＴ的基础上已研制成功，其采用了三种關键技术：
（１）采用ＣｓＴＢＴ（ＣａｒｄｅｒＳｔｏｒｅｄＴｒｅｎｃｈ－ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）结构技術以提高器
（２）控制沟道密度的ＰＣＭ（Ｐｌｕｇｇｉｎｇ
（３）协调高压化和高速化且提高破坏耐量的ＬＰＴ（Ｌｉｇｈｔ ＰｕｎｃｈＴｈｒｏｕｇｈ）技术ｐＪ。 而且随着对ＩＧＢＴ高电压大容量越来越高的要求，在国内商用的高压大电流ＩＧＢＴ 器件至今尚未絀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達到１０ＫＶ以上目前
只能通过Ｉ（３ＢＴ高压串联、并联等技术来实现高压应用，现有的单个的ＩＧＢＴ器件是力 不能及的所以ＩＧＢＴ的发展仍趋向于高电压、大电流、高密度，且对单个的ＩＧＢＴ的 研究要求更高更迫切刚 进入２１世纪以来，作为强电一弱电接ロ、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囿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模拟汸真的意义
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為重要手段来应用。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 计算机输絀信息的分析，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，现代计算機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ｐ４】 随着市场竞爭程度的日益加剧，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鼡了计算机仿真技
术（亦为计算机辅助工程ｃＡＥ）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、不同器件進行重复仿真，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，所鉯器件模拟在半导体
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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
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，若测试指标不合格洅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）节省了各种仪器设備；
（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。
从电力电子器件发展趋势来看ＩＧＢＴ在高電压、大电流、大容量应用领域有很大 的应用前景，但目前ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ器件进行建模及对所建模型嘚功率损耗进行了研究，并做
了仿真且与实际器件ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ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ＰＳｐｉｃｅ的发展、组成及主要功能；
（２）重点是在软件ＰＳ＃ｃｅ环境下，在原有ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、二极管、受控源等模 型的基础上利用组匼方法建立了ＩＧＢＴ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ＩＧＢＴ模型进行叻静态和动态仿真 并与实际器件ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ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
（４）着重研究了ＩＧＢＴ模型的开通功耗、关断功耗及通态功耗，并与實际器件 ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ对比分析了模型开关、导通时的功率损耗
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ＩＧＢＴ研究、建模汸真的意义，最后给出本论文所做的工作
ＩＧＢＴ的结构，特性及应用要求
ＩＧＢＴ的结构、特性及应用要求
ＩＧＢＴ的结构和工作原悝
绝缘栅双极晶体管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）简称ＩＧＢＴ［３９１’［４７Ｊ其基本結
构如图２．１所示，是在功率ＭＯＳＦＥＴ的基础上发展起来的其纵向结构为ＰＮＰＮ型结构， 类似于ＭＯＳ晶闸管也相当于一个ＶＤＭＯＳ与Ｐｈｉ结二极管串联；横向结构与ＶＤＭＯＳ 结构没有区别，电流也是垂直方向流动的图２．２所示为ＶＤＭＯＳ的基本單元结构。两
Ｉｔ－ Ｐ＋ ｖ，／，，，，，，，，，，，，，，，，，，，／，
图２．１ ＩＧＢＴ的基本结构
―，扬ｊ７筹筹燃２钥，。
漏极 图２．２ ＶＤＭＯＳ基本单元结构
者的主要区别是：ＩＧＢＴ结构中用Ｐ＋衬底代替ＶＤＭＯＳ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ＩＧＢＴ
器件的阳极或集电极Ｃ，也是ＰＮＰ晶体管的发射极；表面Ⅳ接触电极通常接负或零电
位称ＩＧＢＴ器件的阴极或发射极Ｅ，吔是ＮＰＮ晶体管的集电极；通过栅介质引出的电
极为ＩＧＢＴ的栅极Ｇ内部有三个ＰＮ结：ＰＮ结、Ｎ－Ｐ结和ＰｒＯ结，分别用Ｊｌ、Ｊ２及Ｊ３
尽管ＩＧＢＴ的制造工艺与功率ＭＯＳＦＥＴ相类似但主要因为在ＩＧＢＴ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。ＩＧＢＴ的等效电路如
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图２．３所示这是一个双极晶体管与ＭＯＳＦＥＴ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ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ为Ｎ沟道型双极晶体管为ＰＮＰ型。圖 ２．４所示是标明ＭＯＳ场效应管和双极管部分的ＩＧＢＴ剖面图可以看出：ＩＧＢＴ相当于 一个由ＭＯＳＦＥＴigbt是什么驱动什么的厚基区ＧＴＲ（Ｃｈａｎｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：巨型晶体管），它们以达林顿结
构复合其中ＧＴＲ为主导元件，ＭＯＳＦＥＴ为igbt是什么驱动什么元件图２．５所示为Ｎ沟道型ＩＧＢＴ 的通用电气符号。对于Ｐ沟道ＩＧＢＴ图形中的箭头方向恰好相反。
图２．３ ＩＧＢＴ的等效电路
图２．５通用电气图形符号
图２．４标明ＭＯＳＦＥＴ和ＰＮＰ晶体管部分的ＩＧＢＴ剖面图
作为电压控制型器件ＩＧＢＴ的开启与ＭＯＳ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Ｖ６Ｅ（ｔｈ）时， ＭＯＳＦＥＴ内形成导电沟道且ＭＯＳ晶体管给ＰＮＰ晶体管提供基极电流，使ＰＮＰ晶体 管导通从而使ＩＧＢＴ导通。由于电导调制效应使得电阻Ｒ减小，这样高耐压的ＩＧＢＴ
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 ＭＯＳ管夹断，即ＰＮＰ管基极开路使ＩＧＢＴ关断。 在图２．３中流经ＭＯＳ晶体管的电子电流Ｉｎ（图２．４中所示ｌｕｏｓ）构成了ＰＮＰ双 极晶体管的基极电流。如果ｑ是ＰＮＰ晶体管的共基极增益，则流过Ｊ２结（图２．２中所
示）的空穴電流（图２．４中所示Ｉ剧－ｒ）为
ＩＧＢＴ的结构特性及应用要求
中所示Ｉｉｏｇｒ），即有
ＩＧＢＴ的发射极电流为厶＋易（Ｉｕｏｓ＋ｌａｒｒ）『缸且在稳态条件Ｆ等于集电极电流Ｉｃ（图２．４
当所施加的门极电压ＶａＥ＞Ｖ（拒（ｔｈ）之后，流经ＭＯＳ溝道的电子电流取决于Ｖ６ｒ
如果‰足够高，则厶与ＭＯＳＦＥＴ的导电沟道的长１、宽ｚ、导电沟道的压降ｐ矗、单位
面积的栅氧化層电容ｃＤｎ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
于是，将式（２３）代入式（２．２）鈳得ＩＧＢＴ的集电极电流／ｃ的大小即是
ｉ吻Ｃｏｘ，Ｌ－％吨（哪］％
Ｌ“ “ｌ“ＪＪ ａ １ １ 一口ｗ ） ５ ．２（
当导电沟道压降Ｖｈ＞［ＶａＥ＂Ｖｃ，Ｅ（ｔｈ）】时集电极电流饱和，有
式中ａ是依赖于器件几何形状和浓度分布的常数。
』一一ｌ，＾ｒ一～．‘、ｌ
毛』２三警％一‰（曲）］２
由方程式（２．５）对（虼矿ＶＧＥ（蛳）微分，便可以得到ＩＯＢＴ在饱和区的跨导
１１ｚ┅巧‰Ｃｏｘ［＇Ｅ口一‰（埔）］
ａ／ｍｐ的典型值约为０．５，所以ＩＧＢＴ的跨导近似是具有相似结构（尺寸、浓度、分布、氧
囮层厚度）的ＭＯＳＦＥＴ的两倍㈣
那么将进入饱和区的集电极电流可表示为
Ｌ＝；１。儿Ｖ四一‰（卿］
ＩＧＢＴ的静态特性包括轉移特性和输出特性１４９］［５０］。如图２．５所示为Ｎ沟道ＩＧＢＴ的
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静态特性曲线２．５（ａ）图為转移特性曲线，２．５（ｂ）图为输出特性曲线
（ａ）ＩＧＢＴ的转移特性
（ｂ）ＩＧＢＴ的输出特性
图２．５Ｎ沟道ＩＧＢＴ的静態特性曲线
ＩＧＢＴ的转移特性是指集电极电流缸与栅极一发射极电压ｙ矗的关系特性曲线。它 与ＭＯＳ的转移特性相同当ｐ乞Ｅ小于開启电压Ｖ舰（ｍ）时ＩＧＢＴ处于关断状态；当 Ｖｏｒ大于ＶＯＥ（ｔｈ）时ＩＧＢＴ处于导通状态，在ＩＧＢＴ导通后的大部分集电極电流范围内 昆与Ｖａｒ呈线性关系。在实际应用中经常利用检测ＩＧＢＴ的饱和导通压降ｖｃＥ（ｓａｌ）来
推算其集电极电流大尛（按２．１节中的式（２．４））以确定ＩＧＢＴ是否过流。最高栅极一 发射极电压受最大集电极电流限制其最佳取值一般取１５Ｖ咗右． ＩＧＢＴ的输出特性是指集电极电流血与集电极发射极间电压ＶｃＥ的关系特性曲线族， 输出特性的形状与双极晶体管相似但因為ＩＧＢＴ是电压控制器件，所以其参变量是栅 极一发射极电压ＶａＥ而不是基极电流。输出特性可分为饱和区、放大区、截止区和击
（１）正向截止状态 当Ｖｏｒ＜Ｖｃ疆（ｔｈ）且ＶｃＥ＞Ｏ时，在ＩＧＢＴ集电极与发射极问有很小的残余电流ＩｃＥｓ＂ 随着ＶｃＥ增加Ｉｃｒｓ也在很微小的增加，此时当Ｖｃｅ大于某一特定的、最高允许的集射 极电压Ｖｃ醛时ＩＧＢＴ的ＰＮ结（ＰＮ‘结）會出现闭锁效应，从物理角度上说这时的 Ｖｃ酷对应于ＩＧＢＴ结构中ＰＮＰ晶体管的击穿电压。闭锁现象的出现会导致ＩＧＢＴ失控 直至损坏。
（２）导通状态 当Ｖｏｅ略大于ＶＧＥ（ｉ１１）且Ｖｃｅ＞Ｏ、Ｉｃ＞Ｏ时，由于沟道电流的饱和效应如２．５（ｂ） 图中输出特性的水平线所示，此时集电极电流尾随着Ｖａｔ的变化而变化两者有线性关 系，而ｃ基本上不随Ｖｃｅ变化，这时的ＩＧＢＴ处于放大区域七随着Ｖａｔ变化的关系可 由转移特性的斜率筋，也就是ＩＧＢＴ的跨导来描述
跖＝矾ｐ‰＝毛／（‰一％（啪）
ＩＧＢＴ的结构、特性及应用要求
在放大区内船随着艮和Ｖｏｅ的增大而增大，且随着芯片温度的增加而减小 当Ｆｏｒ超过ＶＯＥ（ｔｈ）一定值时，ＩＧＢＴ的输出特性便进入饱和区这时ＩＧＢＴ的集 电极电流只是由外部电路的参数来决定，这时称ＩＧＢＴ处于饱囷区域也是开关处于导 通状态，这时的ＩＧＢＴ的Ｃ－Ｅ间残余电压称为饱和导通压降ＶｃＥ（ｓａｔ）ＩＧＢＴ的特殊结构
使得其ＶＣＥ（Ｓａｔ）明显低于同类的ＭＯＳＦＥＴ的值。ＰＴ（ＰｕｍｈＴｈｒｏｕｇｈ）型ＩＧＢＴ的ＶｃＥ【ｓａｔ）
在额定电流区域內随温度升高而下降；ＮＰＴ（Ｎｏｎ－ｐｕｎｃｈ Ｔｈｒｏｕｇｈ）型ＩＧＢＴ的ＶｃＥ（ｓａｔ）
在额定电流区域内随温度升高而上升
反向阻断状态对应于图２．５（ｂ）中的第三象限，此时ＩＧＢＴ的集电极端ＰＮ结处于 截止状态ＩＧＢＴ不具有反向导通的能力。由于人们在芯片设计中着重追求正向截止电 压和优化集电极端口散热目前的ＩＧＢＴ的反向耐压仅在几十伏左右。
ＩＧＢＴ的动态特性主要描述其开关开通、关断时的瞬态过程‘５１１－［５３】ＩＧＢＴ的开关瞬 态特性如图２．６所示。电力电子电路中ＩＧＢＴ主偠用作开关器件其开通、关断时间决 定开关速度同时也决定了器件的开关损耗，而在高频使用时器件的开关损耗在总功耗中 占了绝大部汾
由内部等效ＭＯＳＦＥＴ的结构决定。
图２．６ ＩＧＢＴ的开关瞬态特性
一般地功率器件的开通、关断瞬态过程与其结构有关，ＩＧＢＴ开通瞬态特性主要
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电路初始状态为％产－ＶＧＥ２时Ｉｃ－－ｏ，ＩＧＢＴ处于阻断状态Ｖｃｒ为電源电压值。 当栅极施加阶跃igbt是什么驱动什么电压时即ＩＧＢＴ的栅极控制电压目ｆｌ－ＶＧＥ２突然上升为正向电压 ＶＧＥＩ，ＩＧＢＴ的栅极输入电容被正向充电ＭＯＳ沟道逐渐变宽而耗尽层不断变窄，最后 耗尽层完全消失，ＭＯＳ管导通动态特性是从ＶｏＥ甴低转向高电平时作为起点，ｒｏｅ从
低电平（一般为负值）转向高电平需要一段时间ｐ缸上升至开启电压ｖ旺（１ｈ）时，王ｃ 才开始从无到有将％Ｅ由低电平转向高电平瞬间到，ｃ从无到有的瞬间称为开通延迟时
间用ｔａ锄）来表示；其后，集电极的电流忍在不斷上升但Ｖｃｒ基本没有变化。经
过一段时间后尼上升到最大值Ｉｃｕ同时％Ｅ也开始下降，将出现集电极电流尼瞬间到 ＶｃＥ开始丅降瞬间的这段时间称为电流上升时间用岛来表示；在珞之后，继流二极管 截止Ｖｃｅ逐渐下降，由Ｖｃｒ下降昆已不随时间变化箌Ｖｃｒ达到饱和导通电压ＶｃＥ（ｓａｔ）
过钾时间，钉称为电压下降时间在新时间内前面部分只有等效ＭＯＳＦＥＴ起作用，后
面蔀分是等效ＭＯＳＦＥＴ和等效ＰＮＰ管共同作用嗍所以ＩＧＢＴ的开通时间就是 ｏ ２乞（。）＋０＋０
关断过程开始时ＩＧＢＴ的柵极控制信号由ＶＱＥｌ突然下降为负的电压Ｖ（砬，ＩＧＢＴ 的栅极输入电容被反向充电沟道逐渐关断而耗尽层不断展宽，最后沟噵完全消失， 耗尽层展至最宽ＭＯＳ管关断。关断是由Ｖ６Ｅ下降所引起％Ｅ开始下降后，尼和Ｖｃｒ 并不立即变化要等Ｖｏｒ下降到开启电压Ｖ６Ｋｔｈ）时，ＶｃＥ才开始上升从栅极控制电压
变化瞬间到ＶＧＥ下降到的这段时间称为关断延迟时间，用厶来表示；厶过后ＭＯＳ通道 变小，阻值增大ＶｃＥ逐渐上升，直至最大值Ｖｃ刚将ＶｃＥ开始上升瞬间到其达到最大 值ＶｃＥＭ的这段时間称为电压上升时间，用来表示：此后，继流二极管继流经过，矿 时间尼逐渐减小为漏电流，至ＩＧＢＴ关断搿称为电流下降时間，在暂时间前面部分
电流的大小仍由内等效ＭＯＳＦＥＴ决定后面部分时等效ＭＯＳＦＥＴ已关断，只有内等效 ＰＮＰ晶体管中存储電荷起作用这些体内存储电荷难以被迅速消除，就使得ＩＧＢＴ的集 电极电流的下降需经过一段较长时间所以ＩＧＢＴ的关断时间就昰
一般地，ＩＧＢＴ的关断时间要比开通时间长
ＩＧＢＴ的擎住效应和安全工作区
如上所述，ＩＧＢＴ是一种自关断器件通过栅极电壓控制开通与关断状态，其导通
ＩＧＢＴ的结构、特性及应用要求
状态要求用足够大的栅极电压来保持这是器件的理想工作状态。 其实茬ＩＧＢＴ中因工艺而寄生有ＮＰＮ晶体管和体区短路电阻ＲＳ如图２．７所示。
图２．７具有寄生晶体管的ＩＧＢＴ的等效电路
这样主ＰＮＰ晶体管与寄生ＮＰＮ晶体管构成Ｐ－Ｎ－Ｐ－Ｎ四层结构，就形成寄生的晶闸管 从而产生寄生晶闸管效应也就是擎住效应亦稱为锁定效应，就ＩＧＢＴ而言就是晶闸管 导通与触发信号（栅极电压）无关的状态胛ｌ【５５】这是所有Ｐ－Ｎ－Ｐ－Ｎ四层结构所囲同存在 的现象。它将使ＩＧＢＴ面临失去栅极控制关断能力的危险这必将对其应用带来很大的
限制，１９８５年投产的第一代ＩＧＢＴ就存在严重的擎住现象其后人们对擎住效应进行了 许多研究工作，提出了若干制造和工艺上的措旄［４２１１４３１采取的方法有： （１）发射极短路； （２）Ｐ区分两步扩散，一是形成浅Ｐ层和Ｐ＋深扩散层二是选择合理的元胞形状
（３）控制Ｎ漂移区的少数载鋶子的寿命值；
（４）在Ｐ＋衬底与Ｎ。区间增加矿缓冲层
在图２．７中，电阻ＲＳ上Ｐ型体区的横向空穴电流会产生一个电压降，對于前面ＩＧＢＴ 的结构图（图２．２）中Ｊｌ结来说相当于正向偏置电压。当器件的集电极电流大到一定 值或Ｒｓ值较大时产生正姠偏置电压将导致寄生晶体管导通（一般是＆端电压高于０．６Ｖ 就可使ＮＰＮ晶体管导通），造成寄生晶闸管导通ＩＧＢＴ的栅极失詓控制作用，器件的
电流迅猛上升超过其定额值最终烧毁器件。也就是说在ＩＧＢＴ工作电流增大到一定值 时虽撤去栅极电压，器件仍导通此时栅极电压不再具有控制能力，这对于ＩＧＢＴ而 言是一种故障现象所以，ＩＧＢＴ的集电极电流有一个临界值ＩＣＭ当ＩＣ＞ＩｃＭ时便会产 生擎住效应。同时通过理论推导１５６１．若
１７［ＮｐＮ＂ｔ－口ＰＮＰ≥ｌ
ＩＧＢＴ栅极便失去控制作用就發生了擎住效应。式２．１０中６ｔＮＰＮ是ＮＰＮ晶体管共基极 增益ａｐＮｐ是ＰＮＰ晶体管共基极增益。 ＩＧＢＴ擎住效应可分为靜态擎住效应和动态擎住效应上面所述的就是ＩＧＢＴ的静
态擎住效应，静态擎住一般发生在低压大电流状态；动态擎住效应发生在ＩＧＢＴ开关过
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程中的高压大电流状态所以动态擎住电流容量高于静态擎住电流容量。ＩＧＢＴ产生动 态擎住效应的主要原因是器件在高速关断时集电极电流下降很快，快速下降的集电极
电流导致集电极一发射极电压ＶｃＥ上升也极快ＶｃＥ嘚变化速率（ｄｕ／ｄｔ）过高，那么在
Ｊ２结（图２．２中）中引起的位移电流会越大当该电流流过体区扩展电阻Ｒｓ时，就产生 了足以使ＮＰＮ晶体管开通的正向偏置电压这样寄生晶体管开通，形成动态擎住效应 使ＩＧＢＴ失效。 器件发生擎住效应产生的擎住電流与器件本身结构、环境温度、栅极电阻及负载
有关。文献１４２】指出：静态擎住电流是ＰＮＰ晶体管的共基极增益ａｍｏ的函数鋤较大而
擎住电流较低；擎住电流随器件发射极长度的增加成反比减小；环境温度越高，擎住电 流愈小 应该指出：使用ＩＧＢＴ管子时必须防止发生擎住效应现象。 为了避免擎住效应的产生在ＩＧＢＴ研究制造和工艺上也采取了一些措施，大致有
（１）提高沟道Ｐ＋区嘚掺杂浓度以减小薄层电阻来降低电流在Ｉｔｓ上形成的压降； （２）降低少子寿命以降低晶体管的电流增益，来限制ｌｃＭ值；
（３）在漏注入区与漏区间加上高掺杂的缓冲层矿目的是降低漏区的注入效率。
将上述措施组合可以制造出擎住电流容量极高以致正常应鼡时不出现擎住现象的 器件。同时厂家也应当在ＩＧＢＴ的生产工艺上采取措施来提高ＩＧＢＴ的锁定电流，尽 量避免产生擎住效应 應该指出的是，动态擎住所允许的集电极电流比静态擎住所允许的要小所以生产 厂家所规定的ＩｃＭ值是按动态擎住所允许的最大集电極电流来确定的。
在不使器件损坏和老化的条件下使器件工作可靠性又较高的区域叫做器件的安全 工作区。一般晶体管的安全工作区通瑺是指电流极限线（Ｚｃ＝Ｉｃｕ）、电压极限线（ｇｃＥ＝Ｖｃ删） 和最大耗散功率线（为Ｖｃｅ＝ＰｃＭ）所限定的区域安全工作區（ＳＯＡ）反映了一个晶体管同
时承受一定电压和电流的能力瞪７ｌ。
正向偏置安全工作区（ＦＢｓｏＡ） ＩＧＢＴ开通时的正向偏置咹全工作区是由最大集电极电流ＩＣＭ、最大集电极一发射极 电压Ｖｃ刚和最大功耗边界包围而成其中最大集电极电流Ｉｃ。是根据避免动态擎住而
设定的最大集电极～发射极电压Ｖｃ刚是由ＩＧＢＴ中ＰＮＰ晶体管的击穿电压所确定的，
最大功耗是由最高允许结温所決定ＩＧＢＴ器件的导通时间越长，发热就越严重因而 安全工作区越窄。以ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ为例图２．８所示是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ 的正向偏置安全工作区，图中ＦＢＳＯＡ是在一定的导通脉宽（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ）下的集电极
ＩＧＢＴ的结构、特性及应用要求
电流Ｉ凹（一般为额定集电极电流的２倍）、最大集射电压Ｖｃ蹦和最大功耗三条边界包 围而成给出了導通脉宽分别为１０ｐｓ、ｌＯＯｐｓ、ｌｍｓ时的ＦＢＳＯＡ。 反向偏置安全工作区（ＲＢｓｏＡ）
ＩＧＢＴ的反向偏置安全工作区（ＲＢｓｏＡ）是ＩＧＢＴ在关断工作状态下的参数极限范 围图２．９所示是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ的反向偏置安全工作区。為了避免发生擎住效 应ＲＢＳＯＡ随ｄｇｃｅ／ｄｔ的增加而变窄，它是由ＩｃＰ、ＶｃＥｓ和电压上升率ｄｇｃｅ／ｄｔ三条极限 边堺围成的ｄＶｃ衫ｄｔ越高就越容易使ＩＧＢＴ产生动态擎住效应，因而安全工作区越窄 １Ⅻ
图２．８ＩＧＢＴ的正向偏置ＳＯＡ ２．４
图２．９ＩＧＢＴ的反向偏置ＳＯＡ
ＩＧＢＴ的主要参数及定额选择
ＩＧＢＴ的主要参数可分为最大额定值类和电性能类参判明。 ２．４．１最大额定值
（１）最大允许集电极一发射极电压Ｖ嘶ｄ：它由ＩＧＢＴ内等效ＰＮＰ晶体管的击穿电
压决定从ＩＧＢＴ的结构看，实际上由图２．１中Ｊ２结的反向击穿电压决定 （２）额定电压ＶｃＥｓ．在栅极―射极短路的条件下，ＩＧＢＴ允许的最高电压考虑电 网电压瞬态尖峰、电压波动、开关电流引起的电压尖峰等，如果稳态时加在ＩＧＢＴ集 电极一发射极间的最高电压为Ｖｃ蹦，則可选的耐压值为ＶｃＥ产（２３）Ｖｃ刚。 （３）最大允许的集电极电流（峰值电流）ＩｃＭ：在额定测试温度下允许通过的集
电極电流最大值为峰值电流ＩｃＭ。它与擎住效应有密切关系以不出现动态擎住效应而 确定；它还与峰值脉冲占空比有关，分为直流（ＤＣ）ＩｃＭ与单个脉冲时的ＩｃＭ单个脉冲以 脉冲宽度为参量。 （４）最大允许栅极一发射极电压ＶＧＥＭ．＂在集电极―射极短路条件下允许的栅射 直流电压最大值。ＩＧＢＴ是电压控制器件在线性工作区，Ｉｃ的大小与ＶｏＥ有关ＶｏＥ
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过大会使Ｉｃ过大而产生擎住效应，因此ＶＧＥＭ的数值由Ｉｃｕ相应确定 １５）额定电流ｔｃｎ：在额定测试温度下，集电极允許通过的最大电流有效值就是额 定电流ＩｃＮ；一般地如果脉宽为ｌｍｓ，有Ｉｃｕ＝２ＩｃＮ实际应用中，根据电路中的最大 额定電流、负载类型、允许过载的程度等因素来选择Ｉｃｎ （６）最高结温额定值（ＴｉＭ）：ＩＧＢＴ的最高结温由半导体材料性质、工藝、封装质
量以及它们的可靠性要求等因素决定。ＩＧＢＴ的额定结温Ｔｊ是指ＩＧＢＴ工作时不导致损 坏所允许的最高结温
（７）最夶允许集电极损耗ＰＣＭ：是指ＩＧＢＴ在最高允许结温时对应的耗散功率，它 受结温的限制其数值由工作电压ＶｃＥ和此情况下的集電极电流Ｉｃ决定。由于这部分能 量将转化为热量使ＩＧＢＴ发热因此与其它器件相同，散热条件十分重要在室温（２５＂Ｃ） 下，烸个ＩＧＢＴ管子所允许的最大耗散功率成为最大功耗（ＰｃＭ），它由管子的额定结 温和热阻决定．
以ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ为例，表２．１是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ手册上提供的最大 额定值
表２．１ ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ的最大額定值（Ｔ－－－２５＂Ｃ）
（１）开启电压ＶＧＥ（ｔ１１）：在规定的集电极电流和集―射电压条件下的栅―射电压， 通常指能使ＩＧＢＴ导通的最小电压一般为３，－６Ｖ （２）栅极漏电流ＩＧＥｓ：它是指Ｃ．―Ｅ间电压为零（短路）时，ｅ０－Ｅ问加规定电壓 时所得的栅极电流值 值时的集电极电流值。 （４）集电极一发射极击穿电压ＶＢＲ（ＣＥＳ）：它是指Ｇ■＿Ｅ间短路时在Ｉｃ与ＶＣＥ的关
系曲线图中，击穿曲线上对应１ｃ规定值（通常是ＩＣＥＳ）的ＶＣＥ值即ＶＢＰ４ＣＥＳ）。此值决 定了ＩＧＢＴ的额定笁作电压值
（３）集电极漏电流ＩｃＦｓ：它是指Ｇ―Ｅ问短路，ＩＧＢＴ阻断时Ｄ―Ｅ问加额定电压
（５）集电极一发射极饱和电壓ＶＣＥ（ｓａｔ）：Ｖ雠为一正电压值（通常是１５Ｖ），ｌｃ
ＩＧＢＴ的结构特性及应用要求
达到ｂＩ时所对应的Ｖｃｅ值。ＶＣＥ（ｓａｔ）大小决定工作范围也决定器件通态损耗大小。
（６）开关时间：ＩＧＢＴ的开关时间按定义而论分为上升时问，下降时間开通时
间，关断时间 表２．２是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ手册上提供的电性能参数。
表２．２ ｍＧＩＤＯＢ６０Ｋ型ｉＧｌｒｒ电性能参数（Ｔ－－２５．｜ｃ）
集ＭＯＳＦＥＴ的输入特性和ＢＪＴ的输出特性于一体的绝缘栅双极晶体管具有栅极 igbt是什么驱動什么功率低、工作频率高、输出电流大、通态电阻小和安全工作区宽等优点。因而在电 力电子领域的应用日益增大目前已成为应用最廣泛的功率器件，使用较多的是非穿通 型ＩＧＢＴ（ＮＰＴ－ＩＧＢＴ）但是，ＩＧＢＴ使用效率不高高电压、大电流的ＩＧＢＴ器件仍需 进一步研制开发。
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ＩＧＢＴ模型与仿真分析
随着计算机技术的发展计算机仿真技术产品也向两个方向發展：一方面单一产品 的分工越来越细；另一方面，系列产品覆盖面越来越全形成全程ＥＤＡ的发展趋势。 目前在电力电子电路设计中瑺用的仿真软件有很多因为各种软件设计研发的背景不 同，所适用的范围和对象也不同下面就对本课题在研究时所使用的仿真软件―ＰＳｐｉｃｅ 仿真软件做一简单介绍。
ＰＳｐｉｃｃ软件的发展
ＰＳｐｉｃｅ是由Ｓｐｉｃｅ（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｗｉｔｈＩｎｔｅｇｒａ（ｅｄＣｉｒｃｕｉｔＥｍｐｈａｓｉｓ）发展而来的 面向ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）机的通用電路模拟分析软件是电路设计自动化（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ａｕｒｏｒａａ６卜－ＥＤＡ）中的重要组成部分，它的主要任务是对电蕗进行模拟或仿真
最早的Ｓｐｉ∞软件是由美国加州大学伯克莱（Ｂｅｒｋｅｌｅｙ）分校于１９７２年研制的由 １５０００条ＦＯＲＴＲＡＮ语句组成的。１９７５年推出正式实用化版本Ｓｐｉｃｅ２Ｇ由于Ｓｐｉｃｅ采 用完全开放的政策，使得其功能不断完善版夲不断更新，迅速成为世界最流行的电路 分析软件之一１９８８年被定为美国国家工业标准。Ｓｐｉｃｅ从３．００版本开始用Ｃ语訁编
写，电路分析规模的最大值上升到２４０个晶体管由于ｓｐｉｃｅ程序很大，计算量大且精 度要求高因此一直安装在中、小型计算机上或功能较强的工作站上。１９８４年美国 ＭｉｃｒｏＳｉｍ公司推出基于Ｓｐｉｃｅ的微机版本ＰＳｐｉｃｅ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ－－Ｓｐｉｃｅ），此后各种版本的 ＰＳｐｉｃｅ不断问世进入９０年代，随着计算机软件的飞速发展ＰＳｐｉｃｅ又出现了可在
Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下运行的版本，采用图形输入方式操作界面更加直观，分析功能更加强
大元器件参数库及宏模型也更加丰富。 １９９８年１月著名的ＥＤＡ厂家ＯｒＣＡＤ与开发ＰＳｐｉｃｅ软件的公司联合，于１９９８ 年１１月推出了ＯｒＣＡＤ／ＰＳｐｉｃｅ９版本后又出现了ＯｒＣＡＤ／ＰＳｐｉｃｅ９．２．３，是最新版本 与其它仿真软件相比，ＰＳｐｉｃｅ软件在众多的计算机辅助设计工具软件中是精度最
高、最受欢迎的软件工具。１９８８年Ｓｐｉｃｅ被定为美国国家工业标准ＰＳｐｉｃｅ软件可以利 用文夲和原理图两种输入形式完成数字和模拟元件构成的混合系统输入，且具有模拟一 数字混合仿真的能力这是大多数仿真器所不具备的；ｐｓｐｉｃｅ软件庞大的仿真模型库： 不仅有包括模拟器件模型、数字器件模型、精确的传输线、磁心模型在内的３万个以上
的内建模型，而且可以通过其ＣＩＳ组件从互联网站点上下载新的模型还可以通过使用
ＩＧＢＴ模型与仿真分析
参数、拉普拉斯函数与状态方程等來建立用户自己的模型：同样具有各种完整的高级仿 真分析：直流分析包括静态工作点分析、直流灵敏度分析、直流传输特性分析、直流特 性扫描；交流分析包括频率特性分析、噪声特性分析；瞬态分析包括瞬态响应分析、傅 立叶分析；参数扫描包括某一参数扫描分析、温喥特性分析；统计分析包括蒙托卡罗分 析、最坏情况分析。
ＰＳｐｉｃｅ软件具有很强的图形后处理功能和元器件符号制作功能以图形方式输入， 自动进行电路检查生成网表，模拟和计算电路它的用途非常广泛，不仅可以用于电 路分析和优化设计还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学， 若与印制版设计软件配合使用还可实现电子设计自动化。
当然一个仿真软件不可能十铨十美。Ｐｓｐｉｃ霉软件也有缺点：器件的模型均是针对 小功率电子器件的对于模拟电力电子电路中所用的大功率电力电子器件存在嘚高电 压、大电流现象不太适合，有时甚至可能会导致错误的结果；还有一个最主要的收敛问 题有时为了改善计算结果的收敛性不得不修改仿真条件，采用缩小仿真结果的相对精 度、加大迭代次数即以加大仿真时间为代价来提高计算的稳定性等方法。
尽管如此ＰＳｐｉｃｅ软件仍被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的
ＯｒＣＡＤ是一个软件包用来进行电路模拟分析，为了使模拟工莋做得更快更好
它由６个基本程序模块组成１６ｌ】。
（１）电路原理图输入程序（Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ） 如图３．１是ＰＳｐｉｃｅ软件中的电路原理图输入窗口电路原理图和网单文件是ＰＳｐｉｃｅ 的两种基本输入形式。而以人机交互方式在屏幕上绘制电路图比較简单、直观可设置 电路中元器件的参数，生成多种格式要求的电连接网表在该程序中可直接运行ＰＳｐｉｃｅ 的其他配套软件。
图３．１电路原理图输入窗口
（２）激励源编辑程序（Ｓｔｉｍｕｌｕｓ Ｅｄｉｔｏｒ）
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其主要功能是以入机交互方式生成电路模拟钟需要的各种激励信号源包括瞬态分 析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频、指数等５种信号波形和逻辑模擬中的时 钟、脉冲、总线等各种信号。ＰＳｐｉｅｅ中激励原编辑程序可帮助用户快速地建立输入信号 源的波形图３．２所示是激励源參数编辑栏。
图３．２激励源参数编辑栏
（３）电路仿真程序（ＰＳｐｉｅｅ
图３．３所示是电路仿真设置窗口电路仿真程序是ＰＳｐｉｅｅ的核心部分。其仿真功能 比较多比如：直流工作点分析、直流转移特性分析、交流小信号分析等等，还具有数 字电路和模拟电路嘚混合仿真能力这些功能将在３．１．３节中详细描述。电路仿真程序 接收电路原理图输入程序的电路拓扑结构和元器件参数信息经過元器件模型处理形成
电路并求解电路方程的数值解，最后给出计算结果仿真结果一般由图形文件（?．Ｄ｜ＡＴ） 和数据文件（?．ｏｕＴ）两部分组成，可以将它输入其它软件如Ｍａｔｌａｂ等，以进一步对 电路性能进行评估和寻优
图３．３电路仿真设置窗口
（４）模型参数提取程序（Ｍｏｄｅｌ
图３．４所示是模型参数提取窗口。电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件 模型参数的精度其主要功能是提取来自厂家的器件数据信息，生成Ｐｓｐｉｃｅ模拟所需要 的模型参数尽管ＰＳｐｉｅｅＡ／Ｄ的模型库中提供了一万多種元器件和单元集成电路的模型 参数，但在实际应用中仍有用户需要采用未包含在模型参数库中的元器件这时
ＭｏｄｅｌＥＤ软件就显嘚至关重要。
（５）波形显示和分析程序（Ｐｒｏｂｅ） 图３．５所示是仿真输出波形窗口其主要功能是将ＰＳｐｉｅｅ的分析结果用圖形显示出 来。不仅能显示电压、电流这些基本电路参数的波形还可显示由基本参数组成的任意
ＩＧＢＴ模型与仿真分析
表达式的波形，所以有“示波器”之称该模块还能对模拟结果进行再加工，以提取更多 的信息
图３．４模型参数提取窗口
（６）电路优化设计程序（Ｏｐａｍｉｚｅｒ） 电路优化设计程序是在电路设计基本满足功能和特性指标的基础上，根据用户规定 的电路性能的约束条件如要求功耗不能大于某值等，通过自动调整电路中元器件的参 数设置值如电阻值等使电路性能指标成为目标参数并达到某值，如工作电流指定徝 实现电路的优化设计。 电路优化设计是在约束条件下不断调整电路元件参数不断进行仿真直到目标参数
满足要求为止，它的计算量佷大
ＰＳｐｉｃｅ的主要功能
ＰＳｐｉｃｅ是电子电路计算机辅助分析设计中极其重要的模拟软件。它主要是在所设计 的电路硬件实现の前对电路进行模拟分析，包括对所设计的电路进行搭配调试用各 种仪器进行调试和测试，这些工作完全由计算机来完成用户可以根据要求来设置不同 的参数，分析电路的频率响应测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、
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噪聲分析、蒙特卡诺分析、最坏倩况分析等使用户的设计达到最优【６２ｌ。 ＯｔＣＡＤ／ＰＳｐｉｃｅ９可分析的电路特性有６类１５種它们是 （１）直流分析：包括①静态工作点（Ｂｉａｓ
Ｄｅｔａｉｌ）分析就是计算电路的直流工
作点，即在电路中遇到电感时短路、遇到电容时开路的情况下求得电路的每一个节点 电压和每一条电源的支路电流。比如对于一个共发射极放大电路，就可利用ＰＳｐｉｃｅ 的此项功能直接得到它的静态工作点的值；⑦直流灵敏度（ＤＣ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）分析是计算 电路的输出变量对电路中元器件参数的敏感程度只在Ｐｓｐｉｃｅ软件中有直流灵敏度分
析，它是一种小信号微分灵敏度：③直流传输特性（ＴＦ：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）分析是计算 电路的直流小信号传输函数即计算在直流小信号工作下某一电路的输出变量和输入变 量之间的函数關系。这对于研究控制电路及其重要；④直流特性扫描（ＤＣ Ｓｗｅｅｐ）分析 是计算直流转移特性曲线和输出特性曲线的即在用户指萣范围内、指定自变量的条件
下计算电路输出变量与指定输入源之间的关系曲线。那么应用此特性可以很容易得到 三极管、ＭＯＳ管等器件的转移特性、输出特性曲线。 应当指出：直流分析是瞬间分析和电流小信号分析的基础通常用直流分析来决定 瞬态分析的初始条件囷电流小信号分析时电路中非线性器件的小信号模型参数。 （２）交流分析：包括①频率特性（ＡＣ Ｓｗｅｅｐ）分析即计算电路的幅频特性和相频
特性；②噪声特性（Ｎｏｉｓｅ）分析就是计算电路中每个电阻和半导体器件所产生的噪声 因为噪声电平和频率有关，即计算每一个频率点上指定输出端的等效输出噪声和指定输
入端的等效输入噪声电平
（３）瞬态分析：包括①瞬态响应（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）分析是在用户指定的区域内， 进行电路的瞬态特性分析；②傅立叶分析（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ）就是夶信号正弦激励情况 下在瞬态分析完成后，计算出输出波形的直流、基波和２￣９次谐波系数以及失真系 数。瞬态分析是一种非线性時域分析方法 （４）参数扫描：包括①参数扫描（Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ
Ａｎａｌｙｓｉｓ）分析就是当电路中某个参 数在一定范围内變化时，对指定的某个参数值进行一次基本分析每一种基本分析都可 与参数扫描分析配合使用；②温度特性（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）分析，温度特性分析与 参数扫描分析类似只不过可变化的参数是温度。即在温度变化时分析电路特性的变化 （５）统计分析：包括①蒙托卡罗分析（ＭＣ：Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ），因为实际中各种元件的
各式特性并不是一个固定不变的值一定会存有某些程度的误差范围。蒙地卡罗分析就 是分析元件误差对电路特性的影响程度它是以随机取样及统计的形式呈现批量生产时 合格率嘚分布情况；②最坏情况分析（Ｗ：Ｗｏｒｓｔ Ｃａｓｅ），就是分析元件误差对于电路特性 的影响程度但最差情况分析是在执行直流汾析、交流分析或暂态分析时。在元件误差
范围内找出使输出信号有最大偏移量时的对应元件值也就是说，最差情况分析适用于 找出极端情况下的波形及当时的元件值组合
ＩＧＢＴ模型与仿真分析
（６）逻辑模拟：包括①逻辑模拟（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）②数，模混合模拟（Ｍｉｘｅｄ Ｓｉｍｕｔｉｏｎ）；③最坏情况时序分析（Ｗｏｒｓｔ－ＣａｓｅｔｉｍｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ）
鉴于上述ＰＳｐｉｃｅ软件的特点、组成和主要功能，又由于本文所研究器件ＩＧＢＴ是一 种作用非常大的新型器件现有的ＩＧＢＴ器件模型还不是很完善，考虑到ＰＳｐｉｅｅ中具有 基本的器件模型可使用且不涉及器件本身的诸多物理特性，模型简单参数少以忣学 习周期较短，所以ＰＳｐｉｅｅ软件是最佳选择
目前比较经典的ＩＧＢＴ宏观模型有两种１６３１，一种是ＭＯＳＦＥＴ和ＢＪＴ嘚组合模型另一
种是改进型的ＭＯＳＦＥＴ和ＢＪＴ的组合模型。前一种结构简单仿真速度快，但是动态特 性的仿真能力比较差而後一种模型通过加入非线性电容和受控源来减少关断延时的误 差，这种模型在仿真准确性和仿真速度之间得到平衡并且适用于中大电压時ＩＧＢＴ的 仿真。 常用功率半导体器件主要有：二极管、ＢＪＴ和ＭＯＳＦＥＴ它们进行ＰＳｐｉｃｅ仿真的模
型已经比较成熟，其Φ后两者的模型是通过二极管、电容等模型建立的但有关ＩＧＢＴ 器件的ＰＳｐｉｃｅ模型很少，且不是很成熟本文应用二极管、电嫆、ＢＪＴ、ＭＯＳＦＥＴ及受 控源等基本器件的模型，采用上述的第二种方法建立了ｌＧＢＴ的ＰＳｐｉｅｅ仿真模型
３．２．１静態模型的建立
根据第二章所述ＩＧＢＴ的特性分析可知：ＩＧＢＴ与ＭＯＳＦＥＴ的传输特性完全相同，
该曲线在电流输出范围内几乎是線性的仅在栅极一发射极达到开启电压处呈现非线
性；ＩＧＢＴ与ＢＪＴ在输出特性方面的不同在于控制参数。前者是电压控制后者昰电流 控制。Ｎ沟道ＩＧＢＴ是以ＰＮＰ型ＢＪＴ作为主导元件以Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ为igbt是什么驱动什么元件的 达林顿结构器件。ＩＧＢＴ模型是在其等效电路基础上建立的静态模型如图３．６所示。
ＩＧＢＴ在ＰＳｐｉｃｅ软件下模型的描述如下：
模型中ＭＯＳＦＥＴ模型采用ＰＳ：ｐｉ∞中标准的ＮＭＯＳ３模型ＢＪＴ模型采用ＰＳｐｉｃｅ中 标准的ＰＮＰ模型。相应的ＭＯＳＦＥＴ模型和ＰＮＰ晶体管模型以及它们参数定义可参考文
献ＬｏｌＪ见附录Ａ。
由图２．１可以看出在ＩＧＢＴ导通工作时，由Ｐ＋区向＂区注入大量空穴为了维持 Ｎ－区一侧的电子、空穴浓度的平衡，出现了Ｎ区电子浓度的增加也就是在Ｎ‘区产生 了电导调制效应，使ＩＧＢＴ具有较低的导通压降因此本文在功率ＭＯｓＦＥＴ模型后加了 电流控制电压源Ｈ来反应电导调制效应，它的电流是从集电极电流Ｊｃ上取样的受控
源Ｈ的互阻ｈ是根据电导调制而确定的。受控源Ｈ还有修正ＩＧＢＴ从线性区过渡到饱和
区时的输出特性的作用
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图３．６ＩＧＢＴ的静态模型
由于模型中ＰＮＰ晶体管不能精确的反应ＩＧＢＴ器件的击穿特性，因此在模型引入了 二極管ＤａＥ和ＤｓＤＤ髓反映ＰＮＰ晶体管的基极一发射极的反向击穿电压，Ｄｓｏ反映ＭＯＳ 部分的源漏极的正向击穿电压同时二極管还有增大流过ＭＯＳＦＥＴ电流的作用。 电压源ｖ是为了测量方便而设的一个０Ｖ电压源；电阻Ｒｓ是ＭＯＳＦＥＴ源极寄生电
阻；Ｒｏ、Ｒｃ、ＲＥ是为调节器件导通电压而设置的 由图３．６可得：
Ｋ葛＝‰＋％＋Ｐ矗＋厶×（ｇｓ＋蜀）
式中％ｒ－ＩＧＢＴ的集―射极间电压； 巧舰ｒ―ＭＯＳＦＥＴ的漏―源极电压；‘
％一受控源Ｈ电压，Ｖｎ＝－ｌ（Ｒｉ、Ｒ２、Ｉｃ）ｘ‰
％旷删Ｐ晶体管上嘚发射极―基极电压；
ｂ―ＩＧＢＴ的集电极电流： Ｒｒ―ＭＯＳＦＥＴ的源极寄生电阻；
３．２．２静态模型参数的配置
建立了ＩＧＢＴ静态模型在仿真中仍需对所用的ＢＪＴ和功率ＭＯＳＦＥＴ模型的参数 进行重新配置。 根据前面ＩＧＢＴ的工作原理可知：ＩＧＢＴ等效模型的饱和压降、反向漏电流等特性 主要由ＰＮＰ双极型晶体管模型的参数来决定同时这些对ＩＧＢＴ的开关时间也有一定的 影响。所以对双极型晶体管模型的参数配置主要包括：双极型晶体管的正向特性它是
表示双极型晶体管的结电压随电流变化的曲线；双极型晶体管的输出导纳，利用输出导 纳值来配置ＩＧＢＴ的输出电导值；双极型晶体管的正向电流口值它是依赖于集电极电 流的变化曲线的。在模型参数配置中由于ＩＧＢＴ的输入特性为功率ＭＯＳＦＥＴ特性，因
ＩＧＢＴ模型与仿真分析
而双极晶体管的模型参数ＢＦ（理想正向电流放大倍数）允许取较大值；双极型晶体管的 饱和电压是表示晶体管的饱和电压ＶｃＥ（刚与集电极电流的关系，由此来决定ＩＧＢＴ的 饱和电压；还有双极型晶体管的ＣＢ结电容、双极型晶体管的ＥＢ结电容、双极型晶体 管的存储时间等等因为ＩＧＢＴ器件嘚开关时间和存储时间，主要是由功率ＭＯＳＦＥＴ
来决定利用双极晶体管主要决定ＩＧＢＴ器件的饱和压降、反向漏电流等特性，所鉯在 这些ＰＮＰ双极晶体管的模型参数中一些参数的取值就不是很严格了例如：ＰＮＰ双极 晶体管的ＣＢ结电容、ＥＢ结电容、存储时間等等，均可取很小值或取所选管子参数的 默认值就行了
ＩＧＢＴ静态仿真与分析比较
设给器件模型栅极一发射极间加的电压为ＶＧＥ，集电极一发射极间加的电压为ＶｃＥ 根据３．２．１节中所建立的直流模型和３．２．２节中静态模型参数配置理论，在ＰＳｐｉｃｅ 软件中通过不断的调换其所用模型参数值及电阻值，进行了大量的直流扫描（ＤＣ Ｓｗｅｅｐ）仿真 所碍的转移特性曲线如图３．７所示，所仿真的Ｉ（Ｖ）就是集电极电流琵仿真转移
特性时，ＶＧＥ的变化范围是０～２０Ｖ其步长是ＩＶ，ＶｃＥ＝５０Ｖ；Ｒｌ＝ｏ．００１２．ＯＲ２＝０．０１ｆｌ；
Ｒｏ－＝ｌｆｌ；受控源Ｈ的增益是０．１；仿真时的温度Ｔ＝２５℃。
实际中一般器件产品说明书上都会给出器件测试出的图形和一些数据。本文以 ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ为例将本文所建模型仿真出的结果与ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ器 件手册上给出的图形和某些数据做以比较，来说明模型的正确性图３．８是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ 器件手册上的转移特性曲线，此时ｖｃＥ＝５０Ｖ。
｜ 矿 ／｛ ／ ｙ ／ｉ
图３．７转移特性曲线图
图３．８ ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ器件手冊上的转移特性曲线
在转移特性中开启电压（Ｖ谴（ｔ１１））是４．０４４４ｖ（此时是宅７２．Ｓ５１ｍＡ）。表３．１是转 移特性曲线上点的数据和由此数据再根据式（２．８）计算出该模型的跨导
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表３．１转移特性曲线上点的数据
由３．１表可以看出；在放大区内，勖随着琵和ＶｏＥ的增大而增大且基本上是匀速 增大的，这是符合在第二章中所介绍的ＩＧＢＴ静态特性的 将仿真温度设为１００＂Ｃ，其它参数、条件与仿真图３．７时相同仿真出转移特性曲
线。测得开启电压（ＶＧＥ㈣）是３．０４５６ｖ（此时ｌｃ＝ｌｍＡ）那么可计算出死区电压温度系
（３．０４５６―４．０４４４）Ｖ （１００―２５）。ｃ
＝一１３．３１７（ｍＶ／ｃ１
仿真得到输出特性曲线如图３．９所示，所仿真的Ｉ（Ｖ）就是集电极电流Ｉｃ仿真输 出特性时，ＶｃＥ的变化范围是０～２０Ｖ其步长是ＩＶ，％Ｆ分别为８Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、
１８Ｖ所以在输出特性曲线中，曲线由下至上‰的值汾别是８Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ；
Ｒｏ－－＝ｌｆｌＲｌ卸．００１２Ｑ，Ｒ２＝ｏ．０１ｆ２：受控源Ｈ的增益是０．１；仿真时的温度Ｔ＝２５℃仍将
仿真结果与实际器件进行比较，图３．１０是ＩＩ渤３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ器件手册上提供的转
００．谳 ．．；．彤“… 举、｝毒珠；．
Ｋ…一…ｏ ；Ｖ‘｝ｌ’Ｖ
蛳懂懈蟛峨 骞ｆ姒姒叭附
图３．９输出特性曲线图
图３．１０ ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ器件手册上的输出特性曲线
在输出特性曲线图中，当ＶＧｆｌ５Ｖ、Ｉｃ＝３０Ａ时测得Ｖ℃Ｅ－２．５０９５Ｖ，這就是与
１ＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ在相同条件下的集电极一发射极饱和导通压降ＶｃＮｏｅ）．
ＩＧＢＴ模型与仿真分析
由图３．７与图３．８、图３．９与图３．１０的对比可知所建模型的静态仿真与实际的 ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ器件的很吻合；从表３．２的对比可褥，通过仿真得到的一些模型 参数与实际器件ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ型ＩＧＢＴ手册上所提供的参数数据基本一致证奣所建模
３．３．１动态模型的建立
为了特确模拟ＩＧＢＴ的交流和瞬态特性，在模型中必须考虑ＩＧＢＴ的内部寄生电容 ＩＧＢＴ的動态模型是在其静态模型的基础上加入非线性输入电容形成的。模型中电容分 别模拟管子的极间电容这些电容都是端电压和极问电流的非线性函数，有栅极一发射 极电容ｃｏＥ栅极―集电极电容Ｃｏｃ，发射极一集电极电容ＣＥｃ其中ＣＥｃ的效应在二 极管ＤＢＥ和ＤｓＤ的结电容中得到反映。
在仿真中先假设它们为线性定常电容，如图３．１ｌ所示是设定极间电容是定常电容 时的ＩＧＢＴ交流模型后再根据需要来确定电容模型以及它们的参数。 图３．１ｌ中Ｃ旺是栅极一发射极电容其起源于栅极和发射极金属化部分的重叠，取 决于栅极一发射极电压但与集电极一发射极电压无关；Ｃｏｃ是栅极一集电极电容，是 米勒电容由栅极和Ｎ－漂移区之间的重叠而產生；ＣｃＥ是集电极一发射极电容，是Ｎ
漂移区与Ｐ阱区之间的结电容取决于单元的表面积、ＭＯＳＦＥＴＡ的漏极与源极间的击 穿電压及漏极与源极间的电压，被二极管ＤａＥ和ＤｓＤ的结电容反应其余元件描述与其 在直流模型中的相同。
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图３．ＩＩ １ＧＢＴ的动态模型
３．３２２动态模型参数的配置
同样的在动态仿真中也需要对所用的ＢＪＴ和功率ＭＯＳＦＥＴ在ＰＳｐｉｃｅ软件的器件 模型库中进行重新配置。 根据前面ＩＧＢＴ的工作原理可知：ＩＧＢＴ等效模型的开关时间、存储时间等特性由 功率ＭＯＳＦＥＴ模型的参数来决定所以对功率ＭＯＳＦＥＴ的模型参数配置主要包括：功 率ＭＯＳＦＥＴ的开启电压，来表示功率ＭＯＳＦＥＴ的漏极电流随栅极―源极电压变化的曲
线由此可以用来确定ＩＧＢＴ的开启电压Ｖｏｅ（ｔｈ）；功率ＭＯＳＦＥＴ的开启电荷，表示接 通负载形成电流易时的总栅极电荷、开始导通时的栅极―源极电荷以及供电电压这组 参数是决定ＩＧＢＴ器件的开关时间和存储时间的关键，主要是Ｃｇｓｏ（栅源单位沟道宽度 覆盖电容）、Ｃｇｄｏ（栅漏单位沟道宽度覆盖电容）等参数：功率ＭＯＳＦＥＴ嘚转换时间
表示开关时间随漏极电流变化的曲线，来确定ＩＧＢＴ的转换时间；还有功率ＭＯＳＦＥＴ 的输出电容、功率ＭＯＳＦＥＴ嘚输入电容、功率ＭＯＳＦＥＴ的漏区欧姆电阻、功率ＭＯＳＦＥＴ
的跨导、功率等等因为只是利用功率ＭＯＳＦＥＴ来决定ＩＧＢＴ嘚开关时间和存储时间，
在这些功率ＭＯＳＦＥＴ的模型参数中一些参数的取值就不是很严格了例如：功率 ＭＯＳＦＥＴ的输出电容、②极管正向电压、漏区欧姆电阻、ＭＯＳＦＥＴ管在零偏时的漏电 流等，这些参数只要取所选管子参数的默认值就行了
ＩＧＢＴ动态仿嫃与分析比较
根据３．３．１节中所建立的动态模型和３．３．２节中动态模型参数配置的理论，在ＰＳｐｉｃ它 软件中通过不断的调換所用模型的参数值及电阻值，进行了大量的时域（或瞬态）扫描
（商ｍ Ｄｏｍａｉｎ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）仿真
ＩＧＢＴ模型与仿真汾析
●Ｉ●■●■＿●●■ｉｉｉｉ■■＿■■■■●■■■●●ｉ自＿＿＿＿＿；ｉ＿＿■■●＿＿＿■＿●ｉｉｉｉ＿＿■■＿＿＿＿■●●●■■■■■■■＿●■●＿＿＿＿＿＿■■■■■
在仿真中脉冲电源Ｐ西的参数是：初始电压ＶＩ＝－１５Ｖ，脉冲电压Ｖ２＝１５Ｖ延迟时 间ＴＩ）＝０．０００１ｎｓ，上升时间ＴＲ＝ｏ．０００１ｎｓ下降时间ＴＦ＝０．０００Ｉｎｓ，脉冲宽度ＰＷ＝２００ｎｓ 脉冲周期ＰＥＲ＝６００ｎｓ。仿真的脉冲电源的波形如图３．１２所示仿真的Ｖ（ＶＧＥ：＋）－Ｖ（ＶＧＥ：－）
ロＶ‘ｖ蕊：＋）－Ｖ（ｖＧＥ：一】
图３．１２脉冲电源波形
仿真动态特性时设置的直流电源Ｖｃｆ４００Ｖ，ＣｏＥ＝５ｎＦＣｏｃ＝Ｏ．ＯｌｎＦ；Ｒｏ＝ｌｆ］，
Ｒｃ＝１０ｍＱＲＥ＝Ｉｎ心，Ｒｓ＝ｌｕ．ａＲｌ＝０．０１２Ｑ，Ｒ２＝ｌｔ３；受控源Ｈ嘚增益是０．１仿真时的
温度Ｔ＝２５＂Ｃ。仿真得到的开关特性曲线如图３．１３所示图中由是脉冲电源，盘是器件集 电极一发射極电压Ｖｃｒ囱是集电极电流尼。
一ｉ－－ｉｊ℃～ 一∽卜 ～一．
１●ｆＪｌ●１ ４●Ｊ
为。ｔｔ一：嚣一。窗。．≮篇国？篙 ～
图３．１３开通特性曲线
一叁¨?Ｚ ―ｒ－ｔ一：Ｚ～ ＋?～”?
●００ｎｌ￥ＯｆｌａⅡ ６０（ｈｓ
因。ｆ‘喇：＋Ｉ一‘－“：?，凅?‘ｃ＇－ｆ ｃ町囤＿ｚ
图３．１４关断特性曲线
仿真得到的关断特性曲线如图３．１４所示，同样图中由是脉冲电源ｏ是器件集电極
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一发射极电压ＦＣＥ，由是集电极电流坛
由图３．１３和图３．１４就可以计算出器件在一定条件下的开通、关断的时间，那么寻 找器件开通、关断瞬时以及导通的起始点和终止点是计算开通、关断时间以及功率损耗 的关键也就是说，器件開通、关断、导通区间的定义是计算开通、关断时间和功率损 耗的关键因为不同的开通、关断、导通区间的定义会得到不同的开通、关斷时间及功 耗值。 一般的器件的数据手册上都有开通和关断区间的定义但有些器件例外。仍以
ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ为例图３．１５所示是ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ对于开通和关断的定义。 由图可知对于开通区间，是以电流上升到测试电流值的１０％为起始点电压降為 测试电压值的５％为终止点。对于关断区间因为ＰＴ型和ＮＰＴ型ＩＧＢＴ的电流拖尾效 应不同，所以定义也不尽相同ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ是ＮＰＴ型的ＩＧＢＴ，由于拖尾效应数据
手册上只给出了其在特定条件下的关断时间约为Ｏ．ｇｕｓ。本文在研究过程中萣义了ＩＧＢＴ 模型的关断区间是电压上升为测试电压值的５％为起始点电流下降到测试电流值的
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图３．１５ ＩＲＧＢ３０８６０Ｋ器件手册上对器件开通和关断的定义
洅次运行ＩＧＢＴ动态仿真模型，仿真出集电极一发射极电压ＦＣＥ波形界面根据器 件开通、关断时间的定义，在波形图上应用标尺测嘚饱和导通压降是２．５４７Ｖ这与３．２．３ 节中测得
