IGBT單一芯片參數對瞬態均流特性的影響

劉春光

（深圳市鑫匯科股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

IGBT，即絕緣柵雙極型晶體管，其屬于柔性直流輸電裝置中一個不可缺少的模塊。其內部芯片數量會在不同的電流等級下有所不同，電流等級越高，則芯片數量越多，而在高等級電流下，會出現各芯片支路不均流問題。如果發生這一情況，會有一些芯片的工作電流處于額定電流之下，會在一定程度上降低芯片的使用頻率。而一些芯片會存在較大的工作電流，超出了安全工作范圍值，大大減少了芯片使用時間，嚴重情況下會加快芯片的損壞速度。在芯片均流研究上，主要是對兩方面內容進行研究，一種為瞬間態均流，另一種為穩態均流，現階段，在影響穩態均流因素的研究上已經存在較為豐富的研究成果，因此，本文對瞬態均流進行研究。當前，在瞬態均流的研究上，大多是對封裝寄生參數、驅動控制以及母排寄生參數等方面進行討論，但很少有人把目光投在芯片參數這一領域中。J.C.Joyce在數值及電路仿真的基礎上，重點探究了絕緣柵雙極型晶體管模塊關斷過程電流分布所受柵極電阻的影響程度，得到這一結果：芯片參數一致性，會對模塊開通瞬態均流產生較大的影響。并且在同年，以上人員研究出了芯片參數不同的情況下，對瞬態均流影響也會有所不同的結果。所以，研究芯片參數會對瞬態均流產生怎樣的影響意義重大。

1 IGBT芯片電路模型

■1.1 IGBT芯片模型

將IGBT模型分成兩大類，一類是數學模型，另一類是行為模型。這兩類模型中，前者是基于半導體的物理方程，一般應用在芯片的生產研發步驟，具備較高的求解精度，不過對模型相應物理參數進行提取時，會存在較大的困難，因為提取過程中涉及到的計算工作較多。而后者行為模型主要看重芯片的端口外特性及模塊，一般用于分析芯片電路，數據大部分都記錄在廠商的出廠數據手冊中，其余需要的數據也可通過實驗得出，該模型具備較快的計算速度，同時也存在較好的通用性。

為避免結果出現偏差，需減少其他不必要因素的影響，則選用IXGH32N170型的IGBT芯片，根據出廠手冊中的數據資料，進行相應IGBT芯片模型的建立。如圖1所示，其表示的是通過IGBT芯片模型進行仿真，實驗得出的模型曲線與數據手冊中曲線的區別。Vge表示柵極－發射極電壓，Isat表示芯片的退飽和區電流，Ic表示集電極電流，Vcesat表示芯片的飽和區集電極－發射極電壓。對比數據手冊可以看出，該芯片模型在飽和區內Vcesat的相對誤差并未超過4%，Isat的相對誤差在6%之下，兩者具備較好的一致性。

圖1 對比結果

■1.2 雙脈沖等效電路模型

測試IGBT開關特性中，較為常用到的一種方法就是雙脈沖測試，這一測試方法將二極管鉗位電感作為負載，第一個脈沖主要的目的是提供測量所需電流，完成第一個脈沖后，對IGBT關斷瞬態特性進行測量，由于會存在較大的負載電感值，因此在關斷的短暫時間內，認為通過集電極的電流并未發生變化，第二個脈沖開始時，對IGBT開通瞬態特性進行測量。如圖2所示為雙脈沖等效電路模型，在該模型中，主支路參數主要包括R0寄生電阻、L0寄生電感、Lload負載電感以及CDC放電電容；驅動回路參數主要包括RG寄生電阻、LG寄生電感；支路參數主要包括Le發射極寄生電感、Lg柵極寄生電感以及Lc集電極寄生電感。g、c、e代表芯片連接端子，G、C、E代表模塊連接端子，除此之外，驅動信號Up幅值范圍在－15～15V，而脈寬為70μs，空比為4/7，根據相關文獻得出電路中的無源文件參數。基于芯片模型與雙脈沖測試等效電路模型下，確保后期研究的良好開展。

圖2 雙脈沖等效電路模型

2 定量分析指標

實際研究過程中，為更好的分析芯片參數變化時，瞬態電流分布的變化情況，應進行瞬態均流與芯片參數分散性評價指標的建立，并且保證指標的準確性及科學性。

■2.1 芯片參數分散性指標

確定芯片分散性指標時，需要以統計學概念為主要依據，會涉及到方差、極差以及變異系數等方面的知識，這種指標會有效顯示出芯片整體的分散性，不過，并不具備分析單一芯片參數影響的功能，同時樣本質量及數量會在一定程度上影響結果的可信度。數據手冊中，對于參數統計規律的表述通常會通過最小值、最大值以及典型值的方式，典型值表示的就是期望值。本文對芯片參數變化率做出了定義，使芯片典型值與實測值建立了較好的關聯性，以便于芯片設計及篩選工作的良好開展。

穩態均流主要會受到IGBT芯片參數中飽和壓降的影響，同時，作為關斷的初始狀態，會對關斷瞬態均流產生相應的影響。為使分析更為簡化，這種影響本文不做考慮，默認為芯片存在一致的飽和壓降。對IGBT6個芯片參數進行詳細分析，參數變化率公式：

其中，Vth表示的是閾值電壓；Rg表示的是柵極電阻；gfs表示的是跨導；Cge表示的是柵極－發射極電容；Cce表示的是集電極－發射極電容；Cgc表示的是柵極－集電極電容，而Vth0、gfs0、Cce0、Rg0、Cge0以及Cgc0，則表示芯片參數的典型值，本文典型值選擇數據手冊中的參數值。在集電極－發射極電壓以及柵極電壓發生改變的情況下，跨導也會發生相應變化，本文將數據手冊作為主要的參考依據，選擇出相應跨導值。

■2.2 瞬態均流指標

均流指標具體包括兩個類型，一種為統計型指標，另一種為電流型指標，前者中具體涵蓋差異系數以及標準差等，通過統計型指標開展定量分析工作時，通常要測量大量的樣本，往往存在較大的工作量。所以，本文與現有指標相結合，確定出ξ，即瞬態均流評價指標，對芯片參數作用機理進行分析，對改指標進行計算，實際的計算結果會將不同芯片支路電流差異與電流間的聯系很好的顯示出來，而結果的正負性則能體現出各芯片支路電流大小情況，公式(7)為具體的表達式：

公式（7）中，Ichip表示的是芯片電流值；Iav表示的是芯片電流平均值，即開關瞬態電流處于峰值時刻的電流值。

3 芯片單一參數對瞬態均流的影響分析

對芯片參數值做出改變，同時進行擬合處理，最終得出芯片模型，存在一定的參數分散性。為有效分析各參數對多芯片瞬態均流產生的不同影響，需要細致分析基于相同變化率條件下，各芯片參數的瞬態電流分布情況，同時做出以下幾點假設：首先，芯片各參數會在－50%～50%范圍內加以變化；其次，開關瞬態環節，只對芯片參數進行改變，其他芯片則保持不變。通過以上假設下，計算獲得芯片支路瞬態電流，對瞬態均流所受各芯片參數影響情況加以分析。

■3.1 閾值電壓

此部分內容中，只對閾值電壓(Vth1)加以改變，著重探討其對瞬態均流產生的影響。如圖3所示，閾值電壓變化范圍處于±10%時，瞬態電流的波形情況，芯片IGBT1的電流為Ic1，芯片IGBT2的電流為Ic2，t代表時間。

圖3 閾值電壓發生改變時開關瞬態電流波形情況

開通瞬態過程中，當Vth大于Vge時，芯片所處的狀態是截止狀態。Cge持續充電過程中，Vge會不斷增大，當其超過Vth時，因為Vce較大，芯片處于退飽和狀態，Vge的增大下，Ic逐漸上升，Vce則因為二極管鉗位沒有發生變化。從而可以看出，Vth越大則流過芯片的電流會越小。對于關斷瞬態過程中[2]，芯片電流主要可以分為不同的過程，例如電流下降、存儲以及拖尾過程。芯片中若不存在均衡的跨導與閾值電壓，則會出現電流分配不均衡情況。

■3.2 柵極電阻

開關瞬態環節的柵極電壓波形，會直接受到芯片柵極電阻大小的影響，只是對芯片柵極電阻(Rg1)加以改變，詳細探討其對瞬態均流產生的影響，當其變化范圍在±10%時，具體瞬態電流波形情況詳見圖4，對圖4進行詳細分析得出，與瞬態開通環節相比，IGBT芯片柵極電阻對瞬態關斷的影響較大。柵極電阻越大的IGBT芯片將承受較小的開通電流與較大的關斷電流。

圖4 柵極電阻發生改變時開關瞬態電流波形情況

芯片開通瞬態環節，驅動電源會對芯片進行電容充電，此時柵極電壓會快速上升，當期到達閾值電壓后，柵極電壓上升情況下，集電極電流也逐漸增大，存在于續流二極管中的電流全部進入到芯片后，二極管會進行反向恢復，造成芯片電流尖峰。這一環節，芯片電壓會快速下降，同時會將驅動電流進行抽取，τ為時間常數，公式如下。

如公式（8）所示，RGΣ表示的是柵極串聯電阻，具體由柵極外部寄生電阻與柵極電阻相加得出；CGE與CGC表示測量模塊外部端口從而得到的電容值，例如芯片極間電容以及封裝寄生電容。從公式（8）中能夠得出，柵極電壓充電時間會直接受到柵極電阻的影響，并且也會在一定程度上影響著電流的上升速度與開通時間。

芯片關斷瞬態環節，較小柵極電阻芯片其會存在較快的柵極電壓下降速度，具體而言，首先消失的是反型層，隨后MOS溝道會被夾斷，因此導致電流快速下降。

■3.3 跨導

對于芯片開通瞬態環節而言，芯片的狀態往往是退飽和形式，所謂的跨導，其實質上表示的是轉移特性曲線的動態斜率，轉移特性曲線的起點則是閾值電壓。轉移特性曲線情況如圖5所示，可以看出同一批次芯片轉移曲線存在交叉現象，具體而言，除了閾值電壓外，芯片載流子遷移率及物理結構也會對跨導產生相應影響。

圖5 實測轉移特性曲線

從圖5中可以看出，導致這一現象的原因主要是跨導受其他參數影響超過了閾值電壓，所以可以得出這樣的結論：跨導與閾值電壓較為獨立[3]，并無較大聯系。本文利用數據手冊，將某一靜態工作點處曲線斜率當作跨導值。只將跨導值做出改變，重點探究跨導值對瞬態均流產生的影響。當跨導值變化范圍處于±10%時，得出圖6中表示的瞬態電流波形情況。基于圖6中可以看出，芯片跨導值越大，其所能承受的電流則越大。除此之外，跨導對關斷瞬態主要影響階段，對于芯片穩態均流并不具備較大的影響。

圖6 跨導發生改變是開關瞬態電流波形情況

從圖6中可以看出，芯片跨導越大，則其能夠承受越大的關斷及開通瞬態電流。

■3.4 極間電容Cge、Cgc以及Cce

同柵極電阻存在較為相似的作用，開關瞬態Vge的波形會在一定程度上收到Cgc與Cge的影響，這種情況下會相應的影響到瞬態電流分布特性。通過公式（8）能夠得出，芯片Cgc與Cge逐漸增大的情況下，充放電的時間變長，電壓也變化緩慢，開通瞬態電流變小，關斷瞬態電流增大[4]。因為Cce不存在較大的容值，瞬態環節位移電流也會較小。對Cge1、Cce1以及Cgc1做出改變，從而詳細分析其對瞬態均流所產生的影響情況，當其變化率處于±10%范圍內時，得出圖7至圖9瞬態電流波形情況。

圖7 Cge1發生改變時開關瞬態電流波形情況

由圖7至圖9中可以看出，瞬態均流受芯片極間電容影響低于2%，因此可忽略不計。

圖8 Cgc1發生改變時開關瞬態電流波形情況

圖9 Cce1發生改變時的開關瞬態電流波形情況

4 影響規律

對瞬態均流受各芯片參數的影響進行分析，對各評價指標做出計算，同時總結實際的影響規律，最終結果詳見表1。

表1 影響規律

從表1中能夠看出，Vth這一參數對瞬態均流產生的影響最大，Cce的影響最小，同其他參數相比，Vth會在很大程度上影響瞬態均流的平均靈敏性，研究結果表明閾值電壓、跨導和柵極電阻是對瞬態均流影響最大的3個芯片參數。

5 結束語

綜上所述，本文建立了芯片仿真模型，分析開通瞬態與關斷瞬態均流同芯片參數之間的關系，當芯片參數發生變化時，開通與關斷瞬態均流會發生怎樣的變化，制定出了相應的評價指標，最后對實際影響做出具體評價。在6個參數中對開通瞬態均流產生最大影響的是Vth，產生最小影響的是Cce，其余從小到大排列為Cgc、Cge、Rg、以及gfs；對關斷瞬態均流產生最大影響的是Vth，產生最小影響的是Cce，其余從小到達排列為Cge、Cgc、Rg以及gfs。篩選IGBT芯片時[5]，應對芯片Rg、gfs以及Vth分散性情況加以重視。在瞬態均流的研究及芯片篩選時需要關注Vth與gfs的共同影響。進行瞬態均流仿真時，需著重注意不同參數對瞬態均流造成的影響。