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作者：

孟金磊

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摘要：

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为典型功率半导体器件,具有驱动电路简单,稳态损耗和开关损耗平衡良好等优点.由IGBT与反并联功率二极管组成的IGBT模块,已成为中频中高压电能变换系统中的重要器件,广泛应用于电力输送,电动汽车和新能源等新领域.新应用推动技术发展,产生新的IGBT/二极管结构.新应用和新结构对IGBT/二极管建模技术提出了更加快速,更加准确的要求.为降低成本,提高运行环境适应性,越来越多的应用要求IGBT模块能够可靠稳定运行在极限条件,如高温,高功率密度等工况下.原有模型已不能满足上述应用仿真需求.因此,在物理机理基础上对IGBT/... 展开 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为典型功率半导体器件,具有驱动电路简单,稳态损耗和开关损耗平衡良好等优点.由IGBT与反并联功率二极管组成的IGBT模块,已成为中频中高压电能变换系统中的重要器件,广泛应用于电力输送,电动汽车和新能源等新领域.新应用推动技术发展,产生新的IGBT/二极管结构.新应用和新结构对IGBT/二极管建模技术提出了更加快速,更加准确的要求.为降低成本,提高运行环境适应性,越来越多的应用要求IGBT模块能够可靠稳定运行在极限条件,如高温,高功率密度等工况下.原有模型已不能满足上述应用仿真需求.因此,在物理机理基础上对IGBT/二极管的特性进行建模研究具有重要意义. 本论文以IGBT和二极管组成的IGBT模块的动静态特性,高温应用工况为研究对象,对IGBT/二极管的物理机理建模,结构对模型的影响,温度影响,参数抽取方法,极限高低温下的特性变化进行了深入的研究,主要创新工作如下: 建立了基于有限差分方法和PSPICE的IGBT/二极管模型,推导了双极部分模型求解表达式,边界方程和电压电压方程组,给出了MOS部分的等效电路模型,分析了不同IGBT栅极结构和基区结构的模型实现方法.通过分析有限差分节点数对IGBT/二极管基区载流子,外特性的影响,确定了模型的较优节点数.通过平面栅非穿通型和沟槽栅场终止型IGBT和二极管在不同负载工况下的实验仿真结果对比,验证了有限差分模型的高精度,良好的收敛性及其对不同结构IGBT和二极管的适用性. 建立了温度敏感参数与温度之间的关系表达式,在不改变有限差分模型结构的前提下,建立了考虑温度影响特性的有限差分模型,实验验证了模型的正确性.通过对比分析IGBT不同电气特性量受温度影响关系的敏感度,测量误差和线性度,提出了使用关断延迟时间在线测量IGBT温度的硬件方法. 通过分析参数对模型结果的影响程度,提出了模型参数差别化抽取的原则.提出了一种简单易行的IGBT栅极电容抽取方法,该方法精度高,适用于任意IGBT结构和任意IGBT物理模型.针对模型参数抽取结果与真实值有偏差的问题,提出了基于田口方法的IGBT/二极管模型参数抽取校正方法,该方法能够快速接近参数的真实值,适用于任意物理模型. 针对极限低温(-40℃)和极限高温(175℃)应用工况,设计测试电路并测量得到不同温度下(-40～175℃)的IGBT模块动静态特性量,扩展考虑温度特性的有限差分模型到该温度范围,与实验结果一致.集成耐压计算模块,损耗计算模块,温升计算模块,结合已有IGBT器件有限差分模型提出了IGBT高温损坏预测模型.基于该模型仿真分析了高温条件下IGBT损坏的物理机理.提出了IGBT器件高温可靠稳定运行的必要条件.以IGBT模块能否稳定运行为指标,给出了稳定运行与底板温度和开关频率两个影响因素之间的应用配置关系表,该关系表可以指导IGBT高温工况下高功率密度,高可靠性应用设计. 收起

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学位级别：

博士

学位年度：

2015

被引量：

1