现代电力电子技术之IGBT建模与仿真.doc

《现代电力电子技术之IGBT建模与仿真.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、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

2、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（

3、2）右图所示。图(1)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(2)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

4、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。在IGBT开通和关断中的各种问题有一些解决办法，但往往解决了一方面的问题却恶化了另一方面的问题，因此需要一个优化或折衷的方案，综合考虑多方面的影响。IGBT的建模与仿真可以为这一工作提供有利的手段和条件。三、IGBT建模方法通常把IGBT建模分成物理模型和行为模型两大类。物理模型着眼于研究半导体器件的物理机理，从载流子的漂移和扩散运动、

5、空间电荷的连续性以及与电场的关系出发，依据器件几何结构建立模型。行为模型则只分析器件的输入输出关系，描述器件的外部特性。在神文“AReviewofIGBTModels”中，KuangSheng则对IGBT建模进行了更为细致的划分：（1）数学模型。数学模型即前述的物理模型，以Hefner等人的工作为代表。这种方法在一定的假设条件下（包括载流子大注入，准静态和非准静态等），根据器件的物理行为提取相应的物理方程。所提取的方程通常都是复杂的偏微分方程，需要用不同的数学简化方法求解这些方程，求得用于描述过剩载流子浓度

6、分布和器件电气行为的解析解。这种方法需要比较全面的器件知识和器件参数，而参数的提取是不容易的。这种仿真方法精度较高，计算所需时间也比较长，适用于精确器件特性分析，损耗分析等场合。（2）半数学模型。利用仿真软件（如SABER、PSPICE等）中现有的MOSFET和BJT模型，再加入IGBT的一些特殊效应，如基区电导调制效应、载流子散射效应、大注入效应、载流子倍增效应等。仿真软件中现有的BJT模型都是窄基区的，这与IGBT的宽基区结构不同，因而半数学模型建模方法的准确性比数学模型低。（3）行为模型。行为模型忽略

7、了器件的内部结构，只对系统的输入输出进行分析，采用适当的数学方程、表格、子电路或框图的形式建模。行为模型建模过程相对简单，只需用相对简单的等效电路来表征半导体器件的端口变量，当然这种简化也会在相当程度上对模型的适用范围和精确度产生负面影响，特别是当输入变量变换范围较大的情况下。在电路级或系统级的仿真设计时，通常都采用行为模型，以提高仿真速度。（4）半数值模型。采用“有限元法”建模宽基区，而器件其它部分仍采用前面提到的“解析方法”。因为对IGBT宽基区建模是相当复杂和困难的，所以采用数值方法建模可以正确地描述

8、IGBT暂态电气行为，但这是以牺牲计算速度和效率为代价。虽然已经在仿真软件SABER中得到实现，但很难在一般的仿真软件中得以实现。代表模型有Goebel模型。四、IGBT的行为模型建模IGBT的开通特性和关断特性，可以基于图（4）所示的IGBT等效模型来分析。其中用一恒定电流源来表示感性负载，集电极电流则由一个电压控制电流源来模拟。IGBT开关环路上所有的分布电感用一个集总电感LS表示，栅源集电极之间的分布电容均