溫度對IGBT器件功耗的影響研究

王瑞萱，吳會利

（1.哈爾濱理工大學，哈爾濱150080；2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

溫度對IGBT器件功耗的影響研究

王瑞萱1，吳會利2

（1.哈爾濱理工大學，哈爾濱150080；2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

IGBT是一種綜合MOSFET和GTR兩種器件優點的功率器件，被廣泛應用于電力電子領域。在對這種電力電子器件的研究中，其功耗特性和功率特性同樣重要。首先介紹IGBT器件基本的結構特點和工作原理，并對IGBT器件的尾流特性及其功耗組成進行分析和概述。同時結合IGBT的熱阻模型，確定溫度公式與功耗的關系,在保證其他電學參數相同的情況下,通過使用專門軟件對實際情況下IGBT器件的功耗進行模擬仿真，分別在外界環境溫度為-55℃、25℃、125℃的條件下研究外界環境溫度對于IGBT功耗特性的影響，并通過控制IGBT器件外殼基板的熱阻來降低IGBT器件的功耗。

IGBT；尾流特性；功耗分析；功耗計算；熱阻模型

1 引言

絕緣柵型雙極晶體管，又稱為IGBT[1]，是一種綜合了MOSFET和GTR兩種器件優點的功率器件。IGBT具有開關速度快、驅動電路簡單、輸入阻抗高、耐壓性強、電流大等優點[2]。隨著電學穩定性的進一步提升和商業化進程的逐步推進，IGBT得到了愈加廣泛的關注。

2 IGBT的結構特點及工作原理

IGBT的結構與功率MOSFET器件基本相似。如圖1所示，不同之處在于IGBT在漏極上添加了一個P+區以實現IGBT器件的功能。

圖1 IGBT的基本結構和等效電路

從結構上來說IGBT可以等效為N溝道MOSFET和PNP晶體管組成的電路，實際上IGBT是一種以雙極型晶體管為主導元件，以MOSFET為驅動元件的復合器件。以N溝道IGBT為例，IGBT基本的工作原理是通過在柵極與發射極之間施加正的柵極偏壓Vge,在柵電極正下方的P區中形成導電溝道（反型層）[3]。通過形成的電子溝道為PNP型晶體管提供基極電流，驅動PNP型晶體管使IGBT導通。反之，當在柵極施加一個負偏壓或Vge低于閾值電壓時，不能在P區中形成導電溝道，切斷了PNP型晶體管的基極電流，使IGBT截止。

3 IGBT的尾流特性[4]

在IGBT截止過程中，通過MOSFET的電流迅速下降，而集電極電流則會逐漸下降，這種現象稱為IGBT的尾流特性。發生的原因是在N區中還留有一定數量的由于正向導通而被注入的空穴少子，在截止過程中，集電極電流會與在N區內殘存的空穴進行復合，使IGBT無法迅速關斷。尾流降低的速率完全取決于截止時的電荷密度大小，而電荷密度又與摻雜雜質的濃度、摻雜區域的厚度和結溫等多種因素相關。由于少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，會導致器件功耗增加，并嚴重影響器件的關斷特性和工作頻率。由于尾流特性與空穴少子相關，尾流的電流值與空穴的遷移率有密切的關系，而遷移率又與Vce、Ic和結溫Tj等參數相關。因此，可以通過調整Vce、Ic、Tj等參數來控制尾流特性。

4 IGBT的功耗

溫度對IGBT功耗的影響很大[5]，尤其是在外太空等低溫環境或高溫環境下應用時，所以開展溫度對IGBT器件功耗的影響機理研究工作有深遠的意義。

IGBT器件的功耗主要包括兩個方面：

1.在IGBT柵極施加正向偏壓時，IGBT導通時存在的飽和電壓Vcesat和電流Ic產生的靜態功耗，靜態功耗可表示為:Pcond=d×Vcesat×Ic(d表示導通占空比),與柵極電壓Vge、導通電流Ic和結溫Tj有關。

2.在IGBT做開關動作時，導通電流Ic與漏極電壓Vge存在重疊期，產生導通功耗Eon和截止功耗Eoff，總動態功耗可表示為:Psw=(Eon+Eoff)×fsw(fsw表示開關頻率),與開關動作時的導通電流Ic、電壓Vce和結溫Tj有關。

5 IGBT功耗隨溫度變化影響情況

圖2 IGBT器件的熱阻模型

6 實驗論證與仿真

應用IGBT器件功率仿真專用的仿真軟件Fuji-IGBT Simulator對工作在不同溫度下的IGBT器件進行仿真[8],設置阻斷電壓Vces為1200V，導通電流Ic為200A，分別在環境溫度為-55℃、25℃、125℃的環境溫度及低熱阻條件下進行仿真,仿真結果如圖4及表1所示。

圖4 不同環境溫度下的IGBT功耗

表1 仿真數據

在相同條件下，由于外界溫度升高，根據溫度關系公式Tj=△Tjc+Tc+△Tch+Th+△Tha+Ta，IGBT器件的結溫呈線性函數形式增長，結溫升高使得導通電流Ic呈指數函數形式遞增，功率曲線表現為正弦半波,如圖4中P1所示，熱阻模型的性質表現為熱容性，溫度上升導致IGBT器件的功耗顯著增加。

在室溫下仿真IGBT功率的最高值為122.27W，在相同電學條件下，將溫度提高100℃，器件功率上升為216.98 W，升高了77%。同時隨著結溫升高，IGBT器件中的尾流特性會更加明顯，也會導致器件功耗升高。

通過加強IGBT器件散熱,將基板的熱阻調整為0.005℃/W后，如圖4中P2所示，在相同電學條件下IGBT的功耗由122.27W降至116.23W，降低了11%。同時隨著降低結溫，減弱了Tj對導通電流Ic的影響，也減弱了尾流特性產生的影響，從而實現IGBT功耗的降低。

7 結束語

通過借助仿真軟件重點開展了溫度、熱阻等對IGBT器件功耗影響機理研究工作，隨著外界溫度的改變，結溫線性升高使得導通電流Ic呈指數函數形式遞增，導致IGBT的功耗顯著增加。通過降低工作溫度、減少熱阻、提高器件散熱能力，可以有效降低IGBT的功耗及對尾流特性的影響，提高器件可靠性。仿真結果對IGBT器件的可靠性以及器件性能的提高都有很好的參考價值。

另外通過采用增加P-緩沖層、P+體區擴展、JFET區注入調整等方式降低其飽和壓降，也可以有效的降低其器件功耗。

[1]B.J.BALIGA.Fundamentalsof Power Semiconductor Devices[M].New York:Springer Science，2008:1-2.

[2]V.K.KHANNA.Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT):Theoryand Design [M].IEEE Press,Wiley-Interscience，2003.

[3]施敏.半導體器件物理[M].電子工業出版社,1987.Shi Min.Physics of Semiconductor Devices[M].Beijing:PHEI,1987.

[4]B.J.BALIGA.Fast-switching insulated gate transistors[J].IEEE Electron Device Letters，1983，4(12):452-454.

[5]王燁，常春茂，等.關于IGBT模塊損耗的研究[J].儀器儀表與分析監測，2011(3):35-36.Wang Ye，Chang Chunmao.Study of theloss in IGBT models[J].Instrumentation·Analysis·Momtoring.2011(3):35-36.

[6]Infineon.Infineon data sheet understanding[S].IFCNAIM,2007.09.

[7]F.F.OETTINGER,D.L.BLACEBURN.Semiconductor Measurement Technology:Thermal Resistance Measure[M].1990.

[8]FujiIGBTSimulatorVer6.1.0 introduction[S].FEDT Co.,Ltd.,2014.08.

Researchon the Influence of Temperature to Power Dissipation of IGBT Device

Wang Ruixuan1,Wu Huili2
（1.Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China；2.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

IGBT is a power device with the virtue of MOSFET and GTR,which is widely used as a common device in Power Electronic Circuit.In research of IGBT device,the feature of dissipation is as important as power.First of all,this paper introduces the basic structure of IGBT device and how the IGBT device works.Then this paper analyzes and generalizes the tail current characteristic and the composition of IGBT dissipation.Combined with thermal resistance model of IGBT,the relation between temperature formula and power dissipation is determined,and under the situation when other electrical parameters are all the same,by using the specialized software,the simulation of the dissipation of IGBT device is made under the condition in which the environment temperature are-55℃,25℃ and 125℃ to study how temperature influences the dissipation of IGBT device and reduce IGBT dissipation by controlling the thermo resistor of the shell baseboard of IGBT device.

IGBT;Tail current characteristic;Dissipation analysis;Dissipation calculation;Model of thermo resister

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.006

TN4 文獻標示碼：A

1002-2279-（2017）05-0020-03

王瑞萱（1996—），男，遼寧省沈陽市人，本科生，主研方向：微電子科學與工程。

如圖2所示的IGBT器件熱阻[6-7]模型，當功耗以正弦半波的形式存在時，熱阻模型的性質表現為熱容性，熱阻模型具體參數如表1所示。IGBT器件的結溫關系表示為:Tj=△Tjc+Tc+△Tch+Th+△Tha+Ta，熱阻的大小與器件制造工藝相關，若芯片尺寸越大，熱阻Rthjc的值越小；IGBT模塊的尺寸越大，Rthch的值越小；散熱器規模越大，Rthha的值越小。