基于电压变化率的IGBT结温预测模型研究-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．17(2014)177201基于电压变化率的IGBT结温预测模型研究木刘宾礼f唐勇罗毅飞刘德志王瑞田汪波(海军工程大学，舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033)(2014年3月22日收到；2014年5月4日收到修改稿)基于半导体物理和IGBT基本结构，通过合理简化与理论推导，建立了电压变化率模型，对电压变化率的影响因素与温度特性进行了深入研究，得出电压变化率随电压或电流的增大，线性增大；随结温增大，线性减小．基于电压变化率模型，建立了IGBT电压变化率结温预测模型．仿真和实验结

2、果验证了模型的正确性与准确性．对实现IGBT结温在线监测、提高IGBT模块及电力电子装置可靠性具有一定的理论意义和应用价值．关键词：载流子浓度，迁移率，电压变化率，结温预测模型PACS：72．20．-i．85．30．TVDOI：10．7498／aps．63．177201行了综述，对装置特殊条件下结温监测方法进行了1引言研究，仍未找到切实可行、普遍适用的结温监测方法，距离在实际装置中实现IGBT结温监测目标甚绝缘栅双极型晶体管finsulatedgatebipolar远．文献fl1]将结温监测方法归结为四类：物理接transistor，IGBT)

3、作为电能变换装置的核心部件，触法、光学法、热敏参数法和热网络法，对比了各种在航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通、新能方法的优缺点，并指出热敏参数法和热网络法是实源发电等军事经济领域广泛应用，具有不可替代的现在线监测，可行性最高的方法．文献[12]对电力地位和作用[1】．因此，提高电能变换装置可靠性与电子器件可靠性模型和失效机理进行了总结，对状IGBT失效矛盾日益凸显，己成为当前研究的首要态监测技术进行了综述．指出采用跨导作为温任务．IGBT失效按照引发失效的原因可以分为电敏参数更适用于状态监测技术．文献『13]阐述了击穿和热击穿．电击穿是指

4、集射极电压超出其雪崩结温对IGBT模块状态评估的意义，说明了结温与击穿电压，从而引起电流急剧上升，热量不断累积，饱和压降之间的关系，通过实验验证了关断过程中最终导致器件失效：热击穿是指IGBT产生热量大(dVcE／dt)和(dlc／dt)与结温有良好的线于装置散热能力，导致热量不能及时耗散，不断累积，直至器件失效[2-10】．由此可见，IGBT电击穿性关系．文献【14】对电压变化率dE／dt的温度特与热击穿失效最终的失效形式都是由于热量累积，性进行了理论推导，分析了dE／dt对动态雪崩不能及时耗散而导致失效，所以实时监测IGBT结效应的影响，通

5、过实验验证了母线电压为300V和温，在温度不断攀升趋势形成后、失效发生之前，适160V时，几种特殊条件下，电压变化率dVcE／dt时调整装置工作状态或采取紧急停机措施，对于提随结温的变化规律．综上，当前关于IGBT电压变高装置可靠性，降低IGBT失效概率至关重要．化率温度特性机理、电压变化率模型和结温预测方目前，国内外部分文献和专著对IGBT结温监法，距离实现电压变化率结温在线监测仍存在一定测问题略有涉及，但只是就IGBT结温监测理论进差距．因此，本文将对IGBT电压变化率结温预测国家自然科学基金面上项目(批准号：51277178)、国家重点基

6、础研究发展计划973项目(批准号：2013CB035601)和国家优秀青年基金(批准号：51307176)资助的课题．t通讯作者．E-mail：liu—bin—li@126．corn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．iphy．ac．cn177201。1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．17(2014)177201模型理论与方法展开深入研究．中还必须考虑电容的影响，包含栅极电容和内部结基于IGBT载流子浓度分布和关断机理，经过电容的结构图和等效电路图，如图1所示．严密

7、的理论推导，建立了具有实际应用指导意义的图1(a)中，为栅极一源极间电容；Cod为栅电压变化率模型．深入研究了电压变化率随温度变极交叠氧化层电容；cgdj为栅极交叠耗尽层电容；化而变化的物理机理，对电压变化率的影响因素进Cod与Cgai串联构成栅极一漏极间电容，即反馈电行了综合分析，对硅材料相关参数随温度的变化规容cga；Cdj为漏极一源极间电容；为P+集电极律进行了研究，得出电压变化率的温度特性主要由与N一基区的结电容，可以近似看成dj与i之N一基区载流子浓度和空穴扩散系数的温度特性决和．其中，电容，Cod都为固定值，而c{，j，定，进而，建

8、立了IGBT结温预测模型．仿真和实验j都随耗尽层宽度即外加电压的变化而变化．结果验证了机理与模型的正确性．耗尽层电容。。，即为内部PNP晶体管基极b与