電力電子IGBT器件損耗分析與碳化硅器件介紹

1、電力電子IGBT器件的損耗分析及碳化硅器件介紹 南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院電氣工程與自動化專業(yè)孫浩然 南京：210044摘要：器件的損耗是器件在單位時間內(nèi)消耗的能量，對系統(tǒng)設(shè)計、器件參數(shù)及散熱器的選擇相當(dāng)重要。本文對IGBT結(jié)構(gòu)和特點簡要介紹特別是碳化硅IGBT優(yōu)點及發(fā)展加以闡述。 并對基于物理結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗模型進行討論，從而進一步闡述IGBT應(yīng)用中的保護措施，為電路設(shè)計、器件參數(shù)及散熱器選擇提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：IGBT；碳化硅；功耗計算；損耗模型Analysis of the loss on IGBT device and introduction ofSic device

2、sNanjing university of information &technology, College of information and controlengineering, Electrical engineering and automation ,sunhaoran ,nanjing:210044Abstract:Power devices loss is the energy consumption per unit time of devices,which is important for system design,the device parameters and

3、 the choice of heat sinks.This paper will have a brief introduction of the structure and characteristics of IGBT especially the advantage and development of the Silicon carbide IGBT. Moreover, this paper will have a analysis of the loss model based on physics and mathematics to provide a basis of th

4、e application of IGBT devices.Keyword :IGBT;Sic;10ss calculation;loss model1引言電力電子器件是電力電子學(xué)的基礎(chǔ)，是電力電子電路的核心，絕緣柵晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor )簡稱IGBT是一種發(fā)展迅速應(yīng)用廣泛的 電力電子器件。IGBT是一種MOSFET BJT的復(fù)合型功率器件，兼有 MOSFE的開 關(guān)速度較快與JBT具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的特點(電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)屬于半導(dǎo)體的物理范 疇，指基區(qū)的有效寬度隨集電結(jié)的反偏電壓的變化而變化的效應(yīng))。正是由于IGBT 優(yōu)良的通態(tài)效應(yīng)、適用的快關(guān)頻

5、率和極大的安全工作區(qū)，其成為當(dāng)前電力電子領(lǐng) 域最成功的商用功率開關(guān)器件。包括IGBT在內(nèi)的電力電子器件在實際運用中最應(yīng) 當(dāng)關(guān)注的是功率損耗。這對產(chǎn)品的壽命預(yù)期和結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。但是至今IGBT器件級的建模尚未完成，要對損耗精確計算比較困難。通過實驗方法測量費時費 力，且易造成器件損壞得不償失。因此想要得到IGBT的損耗大小可以通過各種近1似的模型進行近似的計算，主要有基于物理結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)方法和MATLABP的仿真功能。最重要的就是建立適合的模型才能使計算結(jié)果更接近于真實。隨著硅材料與硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐漸趨近其物理極限，而 電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對器件的性能提出更高要求，尤其

6、希望器件的功率和 頻率能夠得到更高程度的兼并，因此碳化硅器件應(yīng)運而生。碳化硅是最先實現(xiàn)商 業(yè)化電力電子器件應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體。使用碳化硅制造電力電子器件可以將半 導(dǎo)體器件的極限工作溫度提高到 600c以上，并在額定阻斷電壓相同的情況下大幅 降低通態(tài)電阻，提高工作頻率。因此實現(xiàn)電力電子器件的碳化硅化不僅能使整機 性能改善而且整機體積大幅減小以及對工作環(huán)境有廣泛適應(yīng)能力，是今后一段時 間內(nèi)電力電子器件的發(fā)展方向2 IGBT結(jié)構(gòu)與工作過程結(jié)構(gòu)介紹如圖1所示IGBT實際上是在MOSFETS極追加P+層而構(gòu)成的。MOSFE修了一層 P+注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的 P+N結(jié)。使得IGBT導(dǎo)通時由P+注

7、入?yún)^(qū)向N 基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率調(diào)制使得 其具有很強的通流能力。IGBT是由 MOSFE和GT叱術(shù)復(fù)合而成白開關(guān)器件。N區(qū)稱為源 區(qū)，P+區(qū)稱為漏區(qū)，C為集 電極，圖中J1,J2,J3為三個PN結(jié)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)。C、E兩級之間的P區(qū) 包括P+和P-稱為亞溝道區(qū)。IGBT是由一個N溝道的MOSFE和一個PNP GTR&成 的，實際上是以GTM主導(dǎo)元件以MOSFE和驅(qū)動元件的復(fù)合管。p.忖底徐/爐修卡點作步h用好0士用裊,安晨用&/金挈靛#d%圖1 IGBT結(jié)構(gòu)示意圖IGBT工作過程分析參照圖1當(dāng)在Uce0,若對柵極加一個足夠高的正電壓， 則柵極和柵極下面的P區(qū)之間形成向下的電場，

8、在電場作用下 P區(qū)的多子空穴被 向下排斥，少子自由電子則被吸附到柵極表面從而使得該P型變?yōu)镹型，稱為反型層。只要刪壓足夠大則反型成形成的越徹底，以至于整個P區(qū)變成N區(qū)，那么IGBT就相當(dāng)于一個二極管從集電極到射極之間形成電流。但是如果柵壓不夠高，集電極到射極的導(dǎo)電溝道雖然可以形成但電導(dǎo)率較低， 則Uce在溝道區(qū)有明顯的下降。而且因為 J2結(jié)處于反偏，當(dāng)此壓降與柵壓開啟電 壓（又叫閾值電壓）差（Uce-UT）相當(dāng)時。導(dǎo)電溝道就會被此壓降在 J2結(jié)一端產(chǎn)生的 空間電荷區(qū)夾斷，此時雖然仍然有電流但電流是寄生的PNP晶體管產(chǎn)生的且趨于飽和，IGBT則與MOSFET樣呈現(xiàn)為飽和特征。處于飽和狀態(tài)的 IG

9、BT的正向集電 極電流Ic主要由Ug覺得與Uce無關(guān)，柵壓越高飽和電流越大1 o當(dāng)IGBT從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)入正向阻斷狀態(tài)時，我們通過改變柵極電壓，可以將柵極與射極短路使得 Ug=Q讓柵極電容放電。當(dāng)柵極電壓下降到 IGBT的柵極閾 值UT以下時，導(dǎo)電溝道消失，N源區(qū)不再向N基區(qū)輸送電子，電子電流為零， 但由于P+向N基區(qū)注入的空穴流不能迅速被復(fù)合，所以電流會逐漸衰減到零。IGBT關(guān)斷過程的電流隨時間變化，大體可分為兩個階段：第一階段下降幅度較大，取決于IGBT內(nèi)的PNP晶體管的電流放大系數(shù)，第二階段下降時間相對較長， 主要取決于N基區(qū)空穴流的復(fù)合速度?？梢钥闯?，IGBT中雙極型PNP晶體管的

10、存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而 IGBT的 開關(guān)速度要低于電力 MOSFET止匕外，IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也 是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的 N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高電阻率，這會引起 通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時間的延長2。2 IGBT損耗分析損耗計算一般原理損耗原理介紹功率損耗是器件在單位時間內(nèi)消耗的能量，也就是電流通過各等效電阻或各種 等效器件的端電壓所做的功，通常以焦耳熱(J)的形式表現(xiàn)出來。因此功率損耗 的存在使得器件在工作時溫度隨之升高影響器件相關(guān)特性，研究功率損耗是為了 給器件加裝適當(dāng)?shù)奈鼰峄蛏嵫b置以使器件保持良好工作狀態(tài)。一般的功率損

11、耗 分為通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗和斷態(tài)漏電損耗這里對通態(tài)損耗開關(guān)損耗進 行研究。研究損耗一般方法：在規(guī)定的恒定溫度下，利用數(shù)字記憶設(shè)備記錄在一個完整開 關(guān)周期中各個時刻的電壓u(t)和電流i(t)然后利用數(shù)值積分法求電壓電流在周期 內(nèi)的平均功率損耗具體可表達成下面公式：1/fs(1)Pd=fs u(t)i(t)dt(2)2.1.2 IGBT通態(tài)損耗與開關(guān)損耗一般原理t0 ton t1通態(tài)時間t2 toff t3圖2 IGBT導(dǎo)通與開關(guān)時的電流電壓及損耗情況如圖2所示從t0到t3 IGBT經(jīng)歷了一次開啟導(dǎo)通與截止過程，t0到t1稱為開啟時問ton,t1到t2稱為導(dǎo)通時間，t2到t3稱為關(guān)斷時

12、間toff。開通時端電壓并非已降 到底而是有一個下降時間，同時電流也不是立即上升到負載電流而有一個上升時 問。在這段時間里電流與電壓的重疊就產(chǎn)生了開通損耗。當(dāng)處于通態(tài)時電流電壓 有一個隨時間幾乎不變的重疊部分會產(chǎn)生一定的通態(tài)損耗。關(guān)斷時的情況與開通 正好相反也會產(chǎn)生一個電流電壓重疊部分產(chǎn)生關(guān)斷損耗。在一定條件下，每個周 期的開關(guān)損耗是一定的，因此開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比。研究開關(guān)損耗時也只 需研究一個周期內(nèi)的開關(guān)損耗情況?；谖锢砟Ｐ偷腎GBT分析網(wǎng)咖如圖3圖4所示分別是IGBT的等效模型和等效電路，在圖 3中我們把IGBT等 效為MOSFE驅(qū)動的BJT,圖4則是IGBT內(nèi)部等效電路。其中 M

13、OSFE部分在圖五 中表示為：柵源極電容Cgs,柵漏極反饋電容Cgd,漏源極電容Cds,溝道電流Imos。 Cgs為電容Cosx和CmMB構(gòu)，Cgd為Coxd與Cgdj串聯(lián)而成，Cds也就是Cdsj。 Cdsj稱作漏源耗盡電容，Coxs為柵源氧化電容，Cm為源極金屬化電容，Coxd為 柵漏氧化電容，Cgdj為柵漏耗盡電容。耗盡電容是耗盡 寬度的函數(shù)采用耗盡近近似理論。耗盡寬度:耗盡電容:圖3 IGBT等效模型Wdep 2Xsi ( V0. 6)/qNbCdep = AXsi /WdepK vKOJXd)(九圖4 IGBT等效電路當(dāng)Vds(Vgs-Vt)時，漏極電流并不飽和，而是隨著漏極電壓的增

14、大略有增大。這是 因為有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)和靜電場的反饋作用引起的。溝道電流采用對 飽和特性進行改進的模型。Imos=0(V :二 V)(5)12Imos=K (V -V )V - V 2(0 ： V : V -V) 2Kp21Im os (V -V )2(V _V -V)21 - . L /LBJT部分用受控電流源Ic表示中性基區(qū)邊緣的集電極電子電流In(W)、電流源Ib表示中性基區(qū)邊緣的集電極空穴電流Ip(W)、受控電壓源Veb表示BJT射-基極壓降，組成BJT部分的模型。BJT空穴電流In(W)、電子電流Ip(W)和射-基極壓降可分別表示如下:Ip(W)=Iab 4Dp1 b W2Cbc

15、j * Q dVbc3Qb dtIn (W) = Im os (Cds Cgd) d；：一 CgddVgsy出(6)Veb =Vebd(Vbc,Q) I * Rb(Vbc,Q)根據(jù)以上參數(shù)具體可參考文獻6選擇適合的輸入輸出在 MATLABt動態(tài)模擬仿真 從而得到每個節(jié)點的電壓電流由于過程比較復(fù)雜不再討論下面重點討論基于數(shù)學(xué) 模型的損耗計算這也是實際應(yīng)用中所使用的方法。2.3 基于數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗分析通態(tài)損耗口有兩種方法，一種是把電壓表示成電流的指數(shù)形式，一種是把電壓表示為電流 的多項式。1、指數(shù)形式：V =V0 R0i(t)e:1 Tp =/0Vi(t)dta為待定常數(shù)，V0為IGBT偏

16、置電壓，R0為動態(tài)電阻。2、多項式形式：2(8)V = a bI cI 2_1 TP VIdtT 0a,b,c可從用戶手冊或曲線擬合而得。下面我們來具體分析開通關(guān)斷過程的損耗開通損耗網(wǎng)圖5 IGBT開通過程變量說明：Td(on)快速上升時間；Irr反向恢復(fù)電流正比于 VIc ； Kba=Trra/Trrb ;Tai為拖尾時間；Itai拖尾下降電流；Utai拖尾下降電壓；Ttai拖尾時間。Udel 電壓降落由寄生動感L及Kir決定。下面將開通過程分為三個階段：1、t0,t2Udel = Ldi/dt ： 0.8Ic L/(tdon tr)Kir =0.8IC/trUce=Udc-Udel Ude

17、leK1。2)(9)二Udc UdelK1N = ln 二 /(tdon Ic/ Kir)Ice = Ice(t0 : T 二 t1)或Ice=Ices Kir(t-t1),(t1 二T 二 t2)Ic,為通態(tài)電流,a為(0,1 )給定常數(shù)，tr為Ice從0.1Ic到0.9Ic的上升時間。2、t2,t4Irrm = Irrm ” . Ic / Ic”Uce -Utai (Udc - Udel -Utai )eK2N(1 Kba)trra= Utai (Udc - Udel -Utai )：K2N = ln a /1 十 Kba)trra 2(10)trra : Irrm /KirIce - I

18、c Kir (t -t2),(t2 二 T 二 t3)K 3NKbaTrra 或Ice = itai(Ic irr - itai )e2 K3N =ln : /(Kba Trra )其中 Trra=Irr/KirUce =Utai Kvtai (t - t4) Kvtai =(Utai - Uces)/Ttai(11)Ice = Ic Itai Kitai (t - t4) Kitai =-Itai/Ttai以上三個階段計算中帶為各個階段電流電壓表達式，通過積分即可獲得功率。2.3.3關(guān)斷損耗網(wǎng)圖6 IGBT關(guān)斷過程如圖6所示關(guān)斷過程依然可以分為三個階段分別是Tf1,Tf2,Ttai11、t0

19、,t1T1f = ： inTdo ff(12)Uce = Udc /T1f(t -t0)* Ice = Ica in可實際測量,Tdoff為關(guān)斷延遲時間。2、t1,t3(13)這一階段電流Ice幾乎呈線性下降表達式為:Ice = -(Ic - Itai1)/(t3-t1)其中Itaif與Ic成固定比例。電壓的變化情況比較復(fù)雜而且最大電壓過沖量與Ic成正比其與Ic的關(guān)系經(jīng)過擬合得:umax =-2/(2K1f)e/2(14)丫待定。但我們可以求出Ic=Ic 時的電壓過沖:(15)umax = 0.8IcL /tr1三； umax/ . 1/(2K1f)e7/2由此可得任意Ic下的丫為：(=(Ic

20、/Icpiu max,/ 11/(2K1f )e/2 (16)由此我們就能得到Uce的表達式。從而求出功率。3、t3,t4*Uce=Udc*Ice = Itai1+Kitaif(t 13)(17)Kitaif =-(Itai1-Ice8 /Ttai1以上三個階段計算中帶為各個階段電流電壓表達式，通過積分即可獲得功率。3對碳化硅電力電子器件發(fā)展與應(yīng)用的簡單介紹各種用硅制造的電力電子器件都可基本按原結(jié)構(gòu)用碳化硅制造。使用寬禁帶半 導(dǎo)體制造電力電子器件第一優(yōu)勢就是容易提高開關(guān)器件特別是高頻大電流器件的 耐壓能力，但其結(jié)壓降會升高也就增加了通態(tài)損耗。因此人們最先開始使用碳化 硅制造通態(tài)電阻較低的電子器

21、件如 SBD,MOSFE哨另J是2004年碳化硅功率MOST 僅在高耐壓指標上達到了硅功率 MOSC遠不能達到的10000V水平，而且通態(tài)比電 阻也控制在123mC cm2。盡管如此更高阻斷電壓也會讓碳化硅功率 MOST臨不可 逾越的通態(tài)阻問題。借助電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，碳化硅高壓IGBT的同態(tài)比電阻遠比功率MOS氐，而且隨著阻斷電壓的提高變化不大。在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)充分發(fā)揮的情況下， IGBT漂移區(qū)的通態(tài)壓降只與載流子的雙極擴散系數(shù)和雙極壽命有關(guān)，不會隨著導(dǎo) 通電流的升高而升高應(yīng)用。1、用于功率調(diào)節(jié)器的逆變器可以使得 Eoff、Err降 低以及輕負載時導(dǎo)通壓降降低，帶來效率改善增加銷售電力。應(yīng)用 2、D

22、C/DC專換 器，使得變壓器小型化。應(yīng)用3、雙向轉(zhuǎn)換器，帶來效率改善散熱部件簡化的優(yōu)勢。 應(yīng)用4、馬達驅(qū)動，效率改善散熱簡化網(wǎng)。4結(jié)語基于物理結(jié)構(gòu)損耗模型和IGBT功率器件計算是在器件等效物理模型基礎(chǔ)上，通 過仿真(MATLAB勺S-Function )得到各個節(jié)點的電壓電流波形，再在此基礎(chǔ)上計 算器件功耗。難點在于模型難建計算過程復(fù)雜但準確度最好?；跀?shù)學(xué)方法的損 耗計算是以實驗為基礎(chǔ)，根據(jù)實驗結(jié)果(本文中曲線僅為開通關(guān)斷過程的一般性 曲線并非實驗獲得)采用曲線擬合或線段折線化方式計算損耗。這種方法避免了 器件眾多參數(shù)的提取的困難，計算速度快，通用性好。碳化硅是第三代半導(dǎo)體的代表，是寬禁帶半導(dǎo)體研究最廣泛的材料之一，其優(yōu)越的性能能滿足高溫，大電流，高頻的應(yīng)用，將逐步成為半導(dǎo)體器件的替代材料網(wǎng)。參考文獻1徐德鴻，陳治明，李永東