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一种可用于SPICE仿真的IGBT模型

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-11-18  浏览次数:1326
核心提示:  摘要:本文提出了一种简单有效的、可用于SPICE仿真的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的半解析计算类模型。模型的主体为一个MOSFET(
   摘要: 本文提出了一种简单有效的、可用于SPICE仿真的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的半解析计算类模型。模型的主体为一个mosFET(场效应晶体管)为一个BJT(双极晶体管)提供基极电流的达林顿结构。由于米勒电容和电导调制效应对于IGBT的特性表现有着重要影响,本文在建立模型时主要考虑了这两方面的内容。文章所描述模型的参数可以从TCAD仿真结果得到。

  关键词:绝缘栅双极型晶体管;半解析计算;电路仿真;

  0 引言

  IGBT发明于20世纪80 年代初。由于同时兼具单极器件易于驱动、开关性能好和双极器件过电流能力强的优点,被看做是未来半导体功率器件的主流方向,并被广泛应用于电机控制、家电、汽车牵引、智能电网等领域。[1][2]

  随着几十年的发展与进步,IGBT产品在结构上主要有以下两大突破:一是沟槽栅(trench gate)结构的提出,既解决了JEFT问题,又提升了沟道密度;二是场阻止(field stop,FS)层技术或者也有称其为软穿通(soft punch through,SPT)结构的提出,使得芯片厚度大大降低从而得到更低的通态压降。

  伴随着IGBT技术的发展,IGBT的仿真在其设计、验证、生产制造、预测行为以及降低时间和物质成本上都起到至关重要的作用。对于IGBT的设计者而言,一般都会建立在TCAD仿真软件的基础上,该类仿真软件通过有限元的方法,求解器件内在的物理方程。这无论从器件的工艺仿真到基本参数的仿真都是IGBT设计所必不可少的。

  与此同时,IGBT在电路级甚至系统级中的表现行为对于器件性能的优化也有着十分重要的参考价值。所以,探寻一种适用

  于器件电路仿真的模型就显得尤为迫切。本文所述一种适用于PSPICE仿真的IGBT模型,简单而有效,其中所需参数可直接由TCAD软件仿真结果得到。成功的将TCAD仿真与PSPICE仿真联合起来。

  1 模型描述

  文献[3]中研究了2000年之前大量的IGBT模型,对其进行了较为细致的分类:行为拟合类(Behavioural)、解析计算类(Mathematical)、半解析计算类(Semimathematical)、半数值计算类(Seminumerical)。各类模型在精确度和仿真速度上有着不同的折衷,对应于不同需求的仿真。

  本文所述模型主体为一个场效应晶体管(MOSFET)向一个双极晶体管(BJT)提供基极驱动电流的达林顿结构,如图1所示。其中,MOSFET部以分及BJT部分可直接采用SPICE软件库中自带的模型。这样做的优点是使得模型的构成得到简化且符合实际的物理意义;但同时我们应该注意到,现有的SPICE中BJT的模型并不能非常准确的描述IGBT器件中宽基区的PNP晶体管部分,这使得模型的准确性有一定的下降。

  1.1电导调制效应

  IGBT对比于功率MOS器件有着一个显著的优势就是:在其背面加入的P+层引入了电导调制效应,使得IGBT在导通状态下能有很低的电阻,同时也带来关断时电流有一个拖尾的缺点。所以,我们在建立IGBT模型的时候,该效应是不能忽略的。











  2 模型参数的获取

  上述IGBT模型属于半解析计算类(Semimathematical)模型,用到SPICE库中已有的MOS和BJT,并引入其他如受控源、电容、电阻、电感等元素来辅助修正模型。这种建模的方式与把IGBT器件看做一个“黑匣子”来拟合外特性曲线的建模方式不同,建模所用方程参数都有其实际的物理意义。所以,我们可以从TCAD仿真结果所得器件结构尺寸和基本参数曲线来获得模型所需参数。图是使用TCAD软件仿真所得IGBT元胞正面区的横截面,仿真对象为一个1700V耐压、100A通态电流的IGBT。

  表1所示为从TCAD软件中所提取的主要参数。

  其中,C0和Adg分别是零偏压下C、G之间的等效电容以及栅极与P基区交叠的面积。

  3 仿真结果

  我们将所得模型用于OrCAD Capture CIS Lite的软件环境下进行仿真,仿真项目主要包括通态下(VG=15V)集电极电流与端电压之间曲线关系、双脉冲的动态开通关断时电流电压曲线两项。

  图6是IGBT双脉冲动态开关仿真所得端电流和端电压曲线图,其中与IGBT搭配的FRD(快速恢复二极管)模型是采用infineon公司官方网站发布的产品FRD的SPICE模型。

  从图6中可以明显的观测到栅极电压在

  开通以及关断的过程中有米勒平台的阶段,同时在第一个脉冲下降沿关断的时候有符合预期的拖尾电流。这说明:本文所述模型对于器件米勒电容以及电导调制效应的模拟是合理的。

  4 结论

  本文描述了一种可以用于SPICE仿真的IGBT子电路(.SUBCKT)模型,模型的主体是运用SPICE库中已有的MOSFET以及PNP晶体管模型,并加入受控源、电容、电感等元素来对模型进行完善和修正。该模型主要考虑了集电极与发射极之间的米勒电容效应和IGBT的电导调制效应,并用合适的子电路对其进行了模拟。同时,本文所描述的模型所需参数有其实际的物理意义,大多能从TCAD仿真的结果中得到。这使得该模型在易于完成的同时也有利于人们对IGBT器件内部物理机制的学习和探究。将所得模型用于SPICE环境仿真所得结果显示,仿真结果曲线在变化趋势以及数量级上符合理论预期,并能明显的显示出米勒电容以及电导调制效应对于器件性能的影响。

  参考文献

  [1] 赵洁. 中国IGBT功率半导体器件产业观察[J]. 半导体信息,2012:4.

  [2] H.Boving, T.Laska, A.Pugatschow, et al. Ultrathin 400V FS IGBT for HEV applications[C]. Proc. of ISPSD, 2011:64-67.

  [3] Kuang Sheng, Barry W. Williams, Stephen J. Finney. A Review of IGBT Models. IEEE Transactions on Power Electronics. 2000,15(6):1250-1265.

  [4] R. Kraus, K. Hoffmann, H.J. Mattausch. A Precise Model for the Transient Characteristics of Power Diodes. PECS’92 Rec. pp.863-869.

  [5] K. Sheng, S.J. Finney, Barry W. Williams. Fast and Accurate IGBT Model for SPICE. Electron. Lett. 1996,32(25):2294-2295.

  [6] 吴建强, 李浩昱. 非线性电容Pspice模型的建立. 哈尔滨工业大学学报, 1999,31(3):44-46.

  作者简介:

  谭骥(1990),男,博士,主要从事半导体功率器件研究工作,tanji@ime.ac.cn;

  朱阳军(1980),男,博士,研究员,长期从事半导体功率器件的研究工作,zhuyangjun@ime.ac.cn;

  刘先正(1985),男,博士,工程师,从事功率器件应用研究工作,liuxianzheng@sgri.sgcc.com.cn;

 

  温家良(1970),男,博士,教授级高工,长期从事电力电子技术与高压直流输电技术研究。wenjialiang@sgri.sgcc.com.cn。

 

 

 

 

 
 
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