IGBT開關瞬態的溫度特性與電熱仿真模型

唐 勇 汪 波 陳 明

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

IGBT是一種綜合了功率場效應晶體管（MOSFET）和雙極型功率晶體管（BJT）兩種結構的復合型功率半導體器件，它輸入極為MOSFET，輸出極為PNP型晶體管，且同時具有二者易驅動，通態壓降小，熱穩定性好等優點[1-3]。自20世紀80年代出現以來，IGBT已經涵蓋了 600～6500V的電壓范圍和 1～3600A的電流范圍[4]，并在低功耗、高可控性方面取得了巨大進步，被廣泛應用于各種中、大功率的電力電子裝置中，是目前應用最為廣泛的全控型電力電子器件[5-7]。

由于半導體的材料特性受溫度的影響顯著，半導體電子器件的工作特性也將隨溫度發生較大改變[8,9]。IGBT作為電能變換裝置中的主功率器件，工作時的導通電流和阻斷電壓都很大，在穩定導通狀態和開關瞬態過程中產生的通態損耗和開關損耗比一般微電子器件也要大得多，在短時間內就將產生很大功耗，從而導致器件結溫大幅上升并且波動顯著，這種溫度的劇烈變化又會進一步引起 IGBT的工作特性發生較大改變，也就是說 IGBT的電氣特性與溫度間具有很強的耦合關系[10,11]。仿真模型是指導IGBT制造與使用的重要工具[12-14]。由于這種強耦合關系的存在，單一溫度下的模型分析方法也已經不能準確反映溫度不斷發生變化時的 IGBT工作特性，而需要將其擴展為能夠反映不同溫度下器件工作特性的電熱模型，從而實現 IGBT工作特性的精確仿真。此外，IGBT的電熱模型還可以進一步與描述器件傳熱特性的傳熱模型相結合，開展電- 熱的聯合仿真，從而準確描述 IGBT電氣特性與芯片結溫的耦合變化過程[15-17]。

本文首先對不同溫度下 IGBT的開關瞬態過程進行了測試，通過對測試結果以及 IGBT開關過程的分析，得出了開關瞬態的溫度特性主要是受內部載流子壽命影響的結論，從而進一步提出了一種改進的IGBT電熱模型方法。最后，基于該模型對IGBT關斷時的電流拖尾，以及完整的開關過程進行了電熱仿真分析，通過實驗波形和仿真波形的比較，驗證了該模型的準確性。

2 IGBT開關瞬態的溫度特性

2.1 溫度對IGBT開關瞬態的影響

IGBT的半導體物理常數與器件內部參數，包括載流子遷移率、本征激發濃度、過剩載流子壽命、柵極門檻電壓以及跨導等，都會隨溫度的變化而發生改變[8,9]，從而導致IGBT的通態壓降、關斷電壓尖峰、電流拖尾時間和開關速度等性能指標都發生變化，壽命與可靠性通常也會隨工作溫度的升高而降低[10,11]。一般來說，IGBT導通狀態下的溫度特性比較簡單，通常 IGBT手冊中都給出了不同溫度下的輸出特性曲線，從中可以很方便地得到不同溫度下的IGBT通態壓降值。相對而言，IGBT的開關瞬態特性與溫度的關系就要復雜得多，開關瞬態過程中的開關時間、拖尾電流與電壓尖峰等都會隨溫度變化發生較大改變，而且IGBT手冊中一般都只給出了某一典型溫度下的開關時間，并未對不同溫度下的器件開關特性進行說明。因此，本文主要針對 IGBT開關瞬態的溫度特性開展了研究，首先對不同溫度下的開關瞬態過程進行了實際測試。

2.2 開關瞬態溫度特性的測試與分析

測試實驗中，采用了型號分別為FF200R06KE3和GD50HEL120C1S的兩種IGBT模塊。前者為一般市場上可以采購到的商業模塊，有外殼封裝，內部芯片表面還覆蓋有一層硅膠；后者為在 IGBT工廠專門定做的未封裝模塊，內部芯片裸漏在外。對于已封裝好的 FF200R06KE3模塊，采用一套帶恒溫控制的底板加熱設備，控制溫度恒定在設定值并加熱較長時間，從而保證內部芯片溫度加熱到設定溫度。對于未封裝的GD50HEL120C1S模塊，由于芯片裸漏在外，采用紅外熱像儀直接測量芯片溫度，測試模塊結構如圖1所示。

圖1 GD50HEL120C1S型IGBT模塊Fig.1 GD50HEL120C1S IGBT

將IGBT芯片溫度分別設定為25℃、50℃、75℃和 100℃，對其導通和關斷瞬態的電壓、電流數據進行測量，并將測量得到的波形輸入MathCad數學軟件進行比較。兩種 IGBT在不同電壓和電流的工作條件下進行了多組實驗，都得到了相同的結果。其中GD50HEL120C1S模塊在不同溫度下的開關波形如圖2所示。

圖2 開關瞬態測試波形Fig.2 Test waveforms of switch transient

從圖2中可以看出，不同溫度下的導通瞬態波形都基本一致，而關斷瞬態波形在不同溫度下出現了較大差別，關斷電流的下降趨勢隨溫度的升高而變得緩慢，關斷時電流拖尾的過程也延長，同時關斷電壓的上升過程隨溫度升高同樣也變緩，電壓尖峰降低。

基于 IGBT工作機理與模型理論對測試現象進行了分析。在 IGBT的關斷過程中，當柵極電壓低于其門檻電壓后柵極導電溝道消失，外部電子停止注入，IGBT內部的過剩載流子由于自身的復合作用逐漸減少，導致 IGBT的導通電流也逐步減小，復合速度由 IGBT內部載流子壽命參數決定，壽命值越大，復合過程越長，電流拖尾過程也越長。由于過剩載流子壽命將隨溫度升高而增大，從而將導致關斷時的電流下降過程變得緩慢，電流拖尾過程也被延長，同時也導致電壓上升變緩，電壓尖峰降低。IGBT的開通過程開始于柵極電壓高于門檻電壓，此時柵極導電溝道形成，過剩電子從溝道注入，同時過?？昭ㄒ矎牧硪欢俗⑷?，最終在基區形成穩定的過剩載流子分布。這一過程相對較短暫，并且由于有大量外部過剩載流子的不斷注入，過程中內部復合作用影響較小，因此溫度對于開通過程的影響也較小。

通過以上的分析得出結論，IGBT的開關瞬態過程受內部過剩載流子壽命參數的影響最為顯著，當壽命參數隨溫度的升高而增大后，將導致過剩載流子的復合速度變慢，從而引起關斷過程變緩慢，電流拖尾時間延長，關斷電壓尖峰減小。

3 一種改進的IGBT電熱模型

3.1 IGBT電熱模型的基本原理

在以上實驗中已經發現，IGBT的關斷瞬態隨溫度發生了較大變化，由此可見，為對此過程進行準確描述，必須建立能夠反映 IGBT不同溫度下工作特性的電熱模型。IGBT的工作特性隨溫度的改變從本質上說是由于半導體材料的物理特性隨溫度發生了變化，從數學模型的角度來看，也就是模型參數隨溫度發生了變化，因此可以把 IGBT的溫度特性歸結為模型參數的溫度相關特性。只要把不同溫度下的參數值帶入已建立的模型計算，就可以對IGBT的溫度特性開展仿真研究，從而也將單一溫度下的電氣模型擴展為能夠反映 IGBT不同溫度下工作特性的電熱模型。

IGBT的電熱模型不僅可以對IGBT的溫度特性進行仿真，還可以聯合 IGBT模塊的傳熱模型，開展動態的電-熱耦合仿真。在耦合仿真過程中，IGBT電熱模型接收從傳熱模型傳遞過來的瞬時結溫參數，計算得到各個溫度相關參數在該溫度下參數值，再通過模型方程組計算出一定外部電路下 IGBT各個端口的的瞬時電壓、電流等工作狀態，從而得到IGBT瞬時功耗參數并將其傳遞給傳熱模型，通過IGBT模塊的傳熱模型計算得到溫度分布與瞬時結溫參數。兩個模型通過結溫與功耗的相互傳遞，實現了電-熱的耦合仿真，從而得到IGBT的瞬時工作結溫以及不同溫度下的工作狀態[15-17]。電-熱耦合仿真的流程圖如圖3所示。

圖3 電-熱耦合仿真流程圖Fig.3 Flow chart of electro-thermal simulation

IGBT電熱模型仿真中的溫度相關參數有兩類：第一類為材料的半導體物理常數，如電子和空穴的遷移率、擴散系數以及本征激發濃度等，這些參數在不同溫度下的參數值一般都可以從半導體材料手冊上查到[8,9]；另一類為器件的內部參數，主要有過剩載流子壽命、門檻電壓、跨導和發射極電子飽和電流四個參數。對于這類參數的溫度特性，目前采用的方法主要有兩種：一是通過大量的測試實驗，如經典的Hefner模型[15]，需要通過多組不同溫度下的參數提取實驗，提取得到不同溫度下的參數值，再將它們代入模型進行計算，由于涉及到的溫度相關參數較多，過程較為復雜；另外一種方法就是采用經驗公式進行計算[16,17]，這種方法比較簡單，但是得到的結果很粗略，模型準確度不高。

3.2 一種改進的IGBT電熱模型方法

本文作者已經建立了一種單一溫度下的 IGBT開關瞬態模型[18]，并實現了模型仿真所需器件內部參數的準確提取[19-21]。通過 1.2節的實驗和分析，發現 IGBT開關瞬態的溫度特性主要是受其載流子壽命參數的影響，根據 IGBT的這一特性，本文進一步提出了一種改進的電熱模型方法。該模型的基本原理與已有方法類似，都是把溫度相關參數在不同溫度下的參數值帶入建立的電氣模型進行運算。不同的是，改進模型對于對開關瞬態影響最大的載流子壽命參數采用的是實驗方法，通過實際測試進行準確提取。而對于其他相對來說影響較小的溫度相關參數，采用的是半導體手冊中給出的數值或通過經驗公式計算得到。這種方法建立的電熱模型構建簡單，同時也具有較高的精度。

采用本文作者在文獻[20,21]中提出的 IGBT載流子壽命提取方法與測試電路，針對 FF200R06KE3型IGBT模塊，控制芯片結溫為25℃、50℃、75℃和 100℃時，分別進行了壽命參數提取。提取得到的IGBT內部N-基區和FS層的載流子壽命值與溫度關系曲線如圖4所示。

圖4 過剩載流子壽命溫度特性Fig.4 Temperature characteristic of IGBT carrier lifetime

4 模型仿真與驗證

4.1 IGBT溫度相關參數的仿真分析

基于本文作者在文獻[19-21]中提出的 IGBT參數提取方法，分別提取了溫度相關參數在溫度為25℃和 100℃時的參數值，代入已建立的 IGBT開關瞬態模型[18]，計算得到的電壓、電流波形如圖 5所示。圖中波形1采用溫度為25℃時的參數值計算得到；波形2為同時改變門檻電壓、跨導和發射極電子飽和電流參數為 100℃的參數值，而載流子壽命不變計算得到；波形 3為改變壽命為 100℃的參數值，其他溫度相關參數不變計算得到。

圖5 關斷瞬態仿真測試波形Fig.5 Simulation waveforms of turn-off transient

從圖5中可以看出，波形1與波形2區別不大，而波形3與波形1、波形2相比發生了較大改變，關斷過程變得緩慢，電壓尖峰也減小。通過仿真進一步驗證了上一節得出的結論，IGBT關斷瞬態的溫度特性主要是受載流子壽命的影響，而其他溫度相關參數的影響相對很小。

4.2 電流拖尾階段的解析模型

相對于整個開關過程而言，IGBT關斷時刻的電流拖尾階段較為簡單，可以得到描述其過程的解析表達式。本文在已建立的場終止型 IGBT開關瞬態模型[18]的基礎上，推導出了場終止型IGBT電流拖尾階段的解析表達式，并采用改進的電熱模型方法，對其溫度特性進行了仿真研究。

在文獻[18]中已經建立了場終止型IGBT中FS層的空穴電流表達式

式中，IT為總的導通電流；IPH為FS層的空穴電流；bH為FS層內電子遷移率μNH與空穴遷移率μPH之比；DH=)為雙極擴散系數，其中DNH和 DPH分別為電子和空穴擴散系數；q為電子電荷量；A為芯片有效導電面積；WH為FS層寬度；PH0和 PHW為 FS層兩個邊界處的空穴濃度。根據文獻[22,23]中的分析，在電流拖尾階段電子電流已消失，總的導通電流就等于空穴電流，同時流經 FS層和N-基區的空穴電流也相等，即 IT= IPH= IPL，因此由式（1）可得

式中，WL為準中性基區寬度；PL0為N-基區靠近FS層邊緣處的空穴濃度。根據文獻[22,23]的分析，在拖尾階段可近似認為 N-基區的過剩載流子濃度為三角形分布，而 FS層內的濃度為梯形分布，因此可將N-基區和FS層內總的電荷QL與QH分別表示為

將式（3）與式（4）相加，可得 IGBT總的電荷量QT

將式（2）代入式（5），再根據FS層與N-基區交界處的準熱平衡關系≈/ NH（NH為FS層摻雜濃度），可得

由式（6）可將 PL0用 QT表示，再將其代入式（2），可將IT與QT的關系表示為

文獻[22,23]中已經給出了dQT/dt的表達式，在電流拖尾階段電子電流已消失，可將其簡化為

式中，τL、τH分別為 N-基區和 FS層內的過?？昭▔勖籲i為本征激發濃度；Isne為發射極飽和電流。

將式（2）～式（4）代入式（8），可得

再將式（7）代入式（9），可得

代入初始值 I(0) 對式（10）進行求解，可將IGBT關斷時刻拖尾階段的電流解析式表示為

采用本文提出的電熱模型方法，τL與τH采用圖4所示實驗提取的數值，其他溫度相關參數采用手冊中的數值或通過經驗公式計算，初始值I(0) 采用實際測試值，根據式（11）計算得到的拖尾電流波形與實際測試波形比較如圖6所示。圖中實線為實試波形，虛線為采用式（11）計算得到的波形。圖6a為未考慮載流子壽命隨溫度的變化，在溫度為100℃時仍采用 25℃時的壽命值計算得到的波形；圖6b為考慮了溫度的變化，采用100℃時的壽命值計算得到的波形。

圖6 拖尾電流計算與實測波形比較Fig.6 Comparison for simulation and testing result of IGBT turn-off current

從圖6中可以看出，圖6a由于未考慮載流子壽命隨溫度的變化，100℃時的計算結果與實測波形出現了較大偏差；圖6b采用100℃時提取的壽命值進行計算，采用式（11）計算得到的拖尾波形與實測波形吻合很好，隨溫度升高電流下降速度變緩，電流拖尾過程明顯延長。模型計算結果既驗證了電流拖尾解析式的準確，也進一步驗證了本文得出結論和電熱模型方法的準確性。

4.3 開關瞬態過程的電熱仿真

基于本文建立的IGBT模型方程組[18]，采用本文提出的電熱模型方法，可以對不同溫度下IGBT開關瞬態的完整過程進行仿真計算。針對 FF200R06KE3型IGBT模塊，載流子壽命值采用了圖4所示實驗提取的數值，其他溫度相關參數采用手冊中的數值或通過經驗公式計算，溫度分別為50℃和100℃時的完整開關瞬態實測波形和仿真波形比較如圖7所示。

從圖7中可以看出，仿真結果除電壓尖峰的回落階段外，其他波形與實測波形都吻合很好，這種偏差主要是由于在出現電壓尖峰的電流拖尾階段，IGBT內總的電荷量已經很小且大部分都被掃入了FS層中，基區中已不滿足大注入條件，仿真得到的電壓下降速度比實測要快一些[18]。

另一方面，從圖中可以看出仿真結果與實測現象相符，關斷過程都是隨溫度升高而變得緩慢，電流拖尾延長，電壓尖峰下降，而導通過程同樣受溫度的影響不大，從而也驗證了本文得出結論和電熱模型方法的準確性。

5 結論

本文通過實際測試與分析，得出了 IGBT開關瞬態過程的溫度特性主要是受內部過剩載流子壽命影響的結論。在此基礎上，進一步提出了一種改進的 IGBT電熱模型方法，從而將單一溫度下的電氣模型擴展為了能夠反映不同溫度下 IGBT工作特性的電熱模型。最后，通過仿真波形與實測波形的比較，驗證了本文得出的結論以及建立的模型具有參數計算簡單與準確度高的優點。

[1]胡建輝, 李錦庚, 鄒繼斌.變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統設計[J].電工技術學報,2009,24(3): 159-16 3.Hu Jianhui, Li Jingeng, Zou Jibin.Losses calculation of IGBT module and heat dissipation system design of inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(3): 159-16 3.

[2]梅楊, 孫凱, 黃立培.基于逆阻式 IGBT的三相/單相矩陣式變換器[J].電工技術學報,2007,22(3):91-95.Mei Yang, Sun Kai, Huang Lipei.Three-phase to single-phase matrix converter using RB-IGBT[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(3): 91-95.

[3]孟進, 馬偉明, 張磊, 等.基于IGBT開關暫態過程建模的功率變流器電磁干擾頻譜估計[J].中國電機工程學報,2005,25(20) : 16-20.Meng Jin, Ma Weiming, Zhang Lei, et al.EMI evaluation of power converters considering IGBT switching transient modeling[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(20): 16-20.

[4]Majumdar G, Minato T.Recent and future IGBT evolution[C].Power Conversion Conference , Nagoya,Japan ,2007: 355-359.

[5]Otsuki M, Onozawa Y, Yoshiwatari S, et al.1200V FS-IGBT module with enhanced dynamic clamping capability[C].Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs.Kitakyushu, Japan,2004: 339-34 2.

[6]Ruething H, Umbach F, Hellmund O, et al.600V-IGBT3: trench field Stop technology in 70pm ultra thin wafer technology[C]. International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs.Cambridge, UK,2003: 14-17.

[7]蔡慧, 趙榮祥, 陳輝明, 等.倍頻式IGBT高頻感應加熱電源的研究[J].中國電機工程學報,2006,26(2): 154-158.Cai Hui, Zhao Rongxiang, Chen Huiming, et al.Study on multiple-frequency IGBT high frequency power supply for induction heating[J].Pcoceeding of the CSEE,2006,26(2): 154-158(in Chinese).

[8]劉恩科, 朱秉升, 羅晉生.半導體物理學[M].北京:電子工業出版社, 1996.

[9]陳治明, 李守智.寬禁帶半導體電力電子器件及其應用[M].北京: 機械工業出版社,2009.

[10]Palmer P R, Santi E, Hudgins J L.Circuit simulator models for the diode and IGBT with full temperature dependent features[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003, 18(5): 1220-1229.

[11]Lim D J, Pulko S H.Characterisation of heat spreader materials for pulsed IGBT operation[J].IET Circuits Devices Syst,2007, 1(2): 126-136.

[12]方健, 吳超, 喬明, 等.局域壽命控制NPT -GBT瞬態模型[J].半導體學報,2006,27(6): 1078-108 3.Fang Jian, Wu Chao , Qiao Ming, et al.A dynamic state model of NPT IGBT with localized lifetime control[J].Chinese Journal of Semiconductor,2006,27(6): 1078-108 3.

[13]Kwang H O, Jaegil L, Kyuhyun L, et al.A simulation study on novel field stop IGBTs using super junction[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2006, 53(4): 884-890.

[14]Angus T Bryant, Liqing Lu, Enrico Santi, et al.Modeling of IGBT resistive and inductive turn-on behavior[J]. IEEE Transactions on Industry Application,2008, 44(3): 904-914.

[15]Hefner A R.A dynamic electro-thermal model for the IGBT[J].IEEE Transactions on Industry Application,1994, 30(2): 394-405.

[16]Rosu M, Wu X, Cendes Z, et al.A novelelectrothermal IGBT modeling approach for circuit simulation design[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition, Austin, USA,2008:1685-1689.

[17]Alberto C, Emmanuel B, Mauro C, et al.Full electrothermal model of a 6.5kV field-stop IGBT module[C].Power Electronics Specialists Conference.Rhode,USA,2008: 392-397.

[18]唐勇, 陳明, 汪波, 等.場終止型IGBT開關瞬態模型[J].中國電機工程學報,2010, 31(30): 54-60.Tang Yong, Chen Ming, Wang Bo.Switching transient model of field-stop IGBT[J].Proceedings of the CSEE,2010, 31(30): 54-60.

[19]唐勇, 胡安, 陳明.IGBT柵極特性與參數提取[J].電工技術學報,2009,24(7): 76-80.Tang Yong, Hu An, Chen Ming.IGBT gate characteristics and parameter extraction methods[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(7): 76-80.

[20]Tang Yong, Chen Ming, Wang Bo.New methods for extracting field-stop IGBT model parameters by electrical measurements[C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Korea,2009:1546-1551.

[21]Tang Yong, Chen Ming, Wang Bo.An improved method for IGBT base excess carrier lifetime extraction[C].Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices,2009: 206 - 210.

[22]Hefner A R.Analytical modeling of device-circuit interactions for the power insulated gate bipolar transistor(IGBT)[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1990,26(6): 995-1005.

[23]Hefner A R, Member S.Modeling buffer layer IGBT’s for circuit simulation[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(2): 111-12 3.