大功率igbt串并联技术分析

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1、大功率IGBT串并联技术研究第4章基于负载端控制的均压电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一414．1电路结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．414．2IGBT串联均压电路的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3参数设计和仿真结果⋯⋯⋯_⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3．1仿真电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一424．3．2仿真参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一434．3．3仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯一444．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47第5章基于栅极电阻调节的IGBT并联方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．1栅极电阻调节IGBT模块并联结构和原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．2基于栅极电阻调节的IGBT模块并联仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯495．3基于栅极电阻调节的整晶圆IGBT内部元胞并联方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯505．3．1整晶圆内部IGBT并联电流不均衡原因及后果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．505．3．2栅极电阻调节整晶圆内部IGBT并联电流的模拟仿真⋯⋯⋯

3、⋯⋯．．515．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．54参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．60附录A攻读学位期间学术成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一61VI硕士学位论文第1章绪论IGBT作为全控型电压驱动器件由于其驱动简单，耐压高，可实现四象限运行，因而在电力系

4、统中的应用越来越广。虽然IGBT的容量在不断提高，但是在较大应用场合，IGBT的容量还是有限。因而仍需要多个IGBT的串联和并联来承受更大的电压和电流。在IGBT串联时会遇到动态和静态电压不均衡现象；并联时会出现并联IGBT电流分配的不均衡现象。若不采取一定措施，将有可能烧坏IGBT器件。本章在阐述了IGBT的基本结构和工作原理，分析了IGBT的基本特性和主要参数的基础上，介绍了IGBT串并联技术的意义及适用领域，阐述了IGBT串并联技术国内外研究的现状，最后介绍了各章节的主要内容。1．1绝缘栅双极型晶

5、体管(IGBT)1．1．1IGBT基本结构及原理IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它类于MOSFET具有驱动电路简单，驱动功率小，工作频率较高，同时又具有BJT的电导调制效应，因而通态压降较小。随着耐压和通流能力的增强，IGBT在大功率和特大功率应用中逐渐显示出了比GTO，IGCT等的优越性。IGBT从20世纪80年代初投入市场以来，获得了迅猛的发展

6、，并且随着器件温度特性差而使并联运行特性差，体内载流子积累较多而使关断特性差，体内寄生晶闸管的擎住效应而使器件容易烧坏等这些问题的不断解决，IGBT的应用范围越来越广泛，其在特大容量和高频半导体器件中占有越来越重的比重。IGBT根据其生产工艺以及器件本身的参数不断优化和改进，到目前为止，IGBT已经发展到第六代。包括第1代平面穿通型(PT)、第2代改进的平面穿通型、第3代沟槽型(Trench)、第4代非穿通型(NPT)、第5代电场截止型(FS)、第6代沟槽型电场截止型(FS．Trench)。1．IGBT

7、的基本结构IGBT是四层三端口器件，由栅极G、集电极C和发射极E组成。图1．1为IGBT的基本结构和图形符号图。从图中可以看出，IGBT可以认为是VDMOSFET演化而来，它和VDMOSFET相比较，上半部分结构完全一样，只是下半部分IGBTLIIVDMOSFET多了一个P+层，也就是多了一个漏极倾f]PN结。从下往上看，IGBT基本结构依次称为P+注入区、N‘缓冲区、N+漂移区、P+体区、N’基区。如图1．2为IGBT大功率IGBT串并联技术研究的等效电路图，其结构可以理解为由MOSFET、NPN晶体

8、管、PNP晶体管、基区扩散电阻以及体区电阻构成。NPN寄生晶体管可能引起的晶闸管自锁效应造成的器件失控和损坏。但是随着IGBT制造工艺的成熟，这个难题已经被攻克。因此IGBT现在一般理解为MOSFET和PNP晶体管构成的达林顿结构，即MOSFET的漏极通过体区电阻和PNP晶体管的基级相连。—』_9发射撮E何，L掣P+山JjN．／JlN‘口+图1．1IGBT的基本结构和图形符号图1．2IGBT等效电路2．IGBT的原理IGBT的开通和关断是由