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(dòng)化專業(yè)孫浩然 南京：210044摘要：器件的損耗是器件在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、器件參數(shù)及散熱器的選擇相當(dāng)重要。本文對(duì)IGBT結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)簡(jiǎn)要介紹特別是碳化硅IGBT優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展加以闡述。 并對(duì)基于物理結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗模型進(jìn)行討論，從而進(jìn)一步闡述IGBT應(yīng)用中的保護(hù)措施，為電路設(shè)計(jì)、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(jì)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(jiǎn)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(kāi) 關(guān)速度較快與JBT具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的特點(diǎn)(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(kāi)關(guān)器件。包括IGBT在內(nèi)的電力電子器件在實(shí)際運(yùn)用中最應(yīng) 當(dāng)關(guān)注的是功率損耗。這對(duì)產(chǎn)品的壽命預(yù)期和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。但是至今IGBT器件級(jí)的建模尚未完成，要對(duì)損耗精確計(jì)算比較困難。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi) 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(guò)各種近1似的模型進(jìn)行近似的計(jì)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(jì)算結(jié)果更接近于真實(shí)。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(duì)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(yùn)而生。碳化硅是最先實(shí)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(shí)現(xiàn)電力電子器件的碳化硅化不僅能使整機(jī) 性能改善而且整機(jī)體積大幅減小以及對(duì)工作環(huán)境有廣泛適應(yīng)能力，是今后一段時(shí) 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(guò)程結(jié)構(gòu)介紹如圖1所示IGBT實(shí)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(gè)大面積的 P+N結(jié)。使得IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注

7、入?yún)^(qū)向N 基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率調(diào)制使得 其具有很強(qiáng)的通流能力。IGBT是由 MOSFE和GT叱術(shù)復(fù)合而成白開(kāi)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(gè)PN結(jié)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)。C、E兩級(jí)之間的P區(qū) 包括P+和P-稱為亞溝道區(qū)。IGBT是由一個(gè)N溝道的MOSFE和一個(gè)PNP GTR&成 的，實(shí)際上是以GTM主導(dǎo)元件以MOSFE和驅(qū)動(dòng)元件的復(fù)合管。p.忖底徐/爐修卡點(diǎn)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(guò)程分析參照?qǐng)D1當(dāng)在Uce0,若對(duì)柵極加一個(gè)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(chǎng)，

8、在電場(chǎng)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(yáng)型變?yōu)镹型，稱為反型層。只要?jiǎng)h壓足夠大則反型成形成的越徹底，以至于整個(gè)P區(qū)變成N區(qū)，那么IGBT就相當(dāng)于一個(gè)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?yàn)?J2結(jié)處于反偏，當(dāng)此壓降與柵壓開(kāi)啟電 壓（又叫閾值電壓）差（Uce-UT）相當(dāng)時(shí)。導(dǎo)電溝道就會(huì)被此壓降在 J2結(jié)一端產(chǎn)生的 空間電荷區(qū)夾斷，此時(shí)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(jué)得與Uce無(wú)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(shí)，我們通過(guò)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(shí)，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(huì)逐漸衰減到零。IGBT關(guān)斷過(guò)程的電流隨時(shí)間變化，大體可分為兩個(gè)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 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(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而 IGBT的 開(kāi)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(shí)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(huì)引起 通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)2。2 IGBT損耗分析損耗計(jì)算一般原理?yè)p耗原理介紹功率損耗是器件在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量，也就是電流通過(guò)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(lái)。因此功率損耗 的存在使得器件在工作時(shí)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(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗和斷態(tài)漏電損耗這里對(duì)通態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗進(jìn) 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(gè)完整開(kāi) 關(guān)周期中各個(gè)時(shí)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(dá)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(kāi)關(guān)損耗一般原理t0 ton t1通態(tài)時(shí)間t2 toff t3圖2 IGBT導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)時(shí)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(kāi)啟導(dǎo)通與截止過(guò)程，t0到t1稱為開(kāi)啟時(shí)問(wèn)ton,t1到t2稱為導(dǎo)通時(shí)間，t2到t3稱為關(guān)斷時(shí)

12、間toff。開(kāi)通時(shí)端電壓并非已降 到底而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)電流也不是立即上升到負(fù)載電流而有一個(gè)上升時(shí) 問(wèn)。在這段時(shí)間里電流與電壓的重疊就產(chǎn)生了開(kāi)通損耗。當(dāng)處于通態(tài)時(shí)電流電壓 有一個(gè)隨時(shí)間幾乎不變的重疊部分會(huì)產(chǎn)生一定的通態(tài)損耗。關(guān)斷時(shí)的情況與開(kāi)通 正好相反也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流電壓重疊部分產(chǎn)生關(guān)斷損耗。在一定條件下，每個(gè)周 期的開(kāi)關(guān)損耗是一定的，因此開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比。研究開(kāi)關(guān)損耗時(shí)也只 需研究一個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)損耗情況。基于物理模型的IGBT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(dòng)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(shí)，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?yàn)橛行系篱L(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)和靜電場(chǎng)的反饋?zhàn)饔靡鸬?。溝道電流采用?duì) 飽和特性進(jìn)行改進(jìn)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(xiàn)6選擇適合的輸入輸出在 MATLABt動(dòng)態(tài)模擬仿真 從而得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流由于過(guò)程比較復(fù)雜不再討論下面重點(diǎn)討論基于數(shù)學(xué) 模型的損耗計(jì)算這也是實(shí)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(xiàng)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(dòng)態(tài)電阻。2、多項(xiàng)式形式：2(8)V = a bI cI 2_1 TP VIdtT 0a,b,c可從用戶手冊(cè)或曲線擬合而得。下面我們來(lái)具體分析開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程的損耗開(kāi)通損耗網(wǎng)圖5 IGBT開(kāi)通過(guò)程變量說(shuō)明：Td(on)快速上升時(shí)間；Irr反向恢復(fù)電流正比于 VIc ； Kba=Trra/Trrb ;Tai為拖尾時(shí)間；Itai拖尾下降電流；Utai拖尾下降電壓；Ttai拖尾時(shí)間。Udel 電壓降落由寄生動(dòng)感L及Kir決定。下面將開(kāi)通過(guò)程分為三個(gè)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(shí)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(gè)階段計(jì)算中帶為各個(gè)階段電流電壓表達(dá)式，通過(guò)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(guò)程如圖6所示關(guān)斷過(guò)程依然可以分為三個(gè)階段分別是Tf1,Tf2,Ttai11、t0

19、,t1T1f = ： inTdo ff(12)Uce = Udc /T1f(t -t0)* Ice = Ica in可實(shí)際測(cè)量,Tdoff為關(guān)斷延遲時(shí)間。2、t1,t3(13)這一階段電流Ice幾乎呈線性下降表達(dá)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(guò)沖量與Ic成正比其與Ic的關(guān)系經(jīng)過(guò)擬合得:umax =-2/(2K1f)e/2(14)丫待定。但我們可以求出Ic=Ic 時(shí)的電壓過(guò)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(dá)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(gè)階段計(jì)算中帶為各個(gè)階段電流電壓表達(dá)式，通過(guò)積分即可獲得功率。3對(duì)碳化硅電力電子器件發(fā)展與應(yīng)用的簡(jiǎn)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(shì)就是容易提高開(kāi)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(huì)升高也就增加了通態(tài)損耗。因此人們最先開(kāi)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(biāo)上達(dá)到了硅功率 MOSC遠(yuǎn)不能達(dá)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(huì)讓碳化硅功率 MOST臨不可 逾越的通態(tài)阻問(wèn)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(yuǎn)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(kuò)散系數(shù)和雙極壽命有關(guān)，不會(huì)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(fù)載時(shí)導(dǎo)通壓降降低，帶來(lái)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(lái)效率改善散熱部件簡(jiǎn)化的優(yōu)勢(shì)。 應(yīng)用4、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，效率改善散熱簡(jiǎn)化網(wǎng)。4結(jié)語(yǔ)基于物理結(jié)構(gòu)損耗模型和IGBT功率器件計(jì)算是在器件等效物理模型基礎(chǔ)上，通 過(guò)仿真(MATLAB勺S-Function )得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形，再在此基礎(chǔ)上計(jì) 算器件功耗。難點(diǎn)在于模型難建計(jì)算過(guò)程復(fù)雜但準(zhǔn)確度最好?；跀?shù)學(xué)方法的損 耗計(jì)算是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(本文中曲線僅為開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程的一般性 曲線并非實(shí)驗(yàn)獲得)采用曲線擬合或線段折線化方式計(jì)算損耗。這種方法避免了 器件眾多參數(shù)的提取的困難，計(jì)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(xiàn)1徐德鴻，陳治明，李永東