??IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)仿真研究與設(shè)計(jì)
摘要
本文介紹了絕緣柵雙扱晶體管(IGBT)與快恢復(fù)二極管(FRD)匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用前景以及發(fā)展趨勢(shì)。闡述了器件仿真軟件ISE的基本方程與物理模型，利用ISE軟件中的MDRAW，DESSIS，TECPLOT和INSPECT對(duì)lGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)進(jìn)行初步仿真與研究，得到影響IGBT與快恢復(fù)二極管匹配相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，最后提出優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的幾種方法。
1.引言
進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源是我國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求、而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來(lái)智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。
在新一代高壓大功率可關(guān)斷電力電子器件中，由下IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高，使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術(shù)中的首選器件。lGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，并提高電力的利用效率，具有很好的環(huán)境保護(hù)效益，被公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是未來(lái)應(yīng)用發(fā)展的必然方向。
不過(guò)，隨著lGBT的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，一方面，為了提高工作頻率，降低系統(tǒng)噪聲，IGBT的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)越快越好；另一方面，為了在不增大散熱片尺寸的情況下lGBT的功耗又必須足夠低。此外，電力系統(tǒng)應(yīng)用中，IGBT的特性必須非常穩(wěn)定，保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。近幾年來(lái)，芯片技術(shù)不斷改進(jìn)，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮。盡管如此，IGBT的功耗還沒(méi)有降到用戶滿意的程度，特性還是不夠穩(wěn)定。
在這種情況下，針對(duì)電力系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)和需求，進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問(wèn)題。IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)不僅可以從芯片級(jí)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，還可以從模塊級(jí)、裝置級(jí)、系統(tǒng)級(jí)提出對(duì)器件相應(yīng)的參數(shù)，以用于改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。比如針對(duì)IGBT的串聯(lián)需求對(duì)IGBT壓接式模塊進(jìn)行IGBT與FRD的匹配研究。
2. IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)簡(jiǎn)介
lGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就是針對(duì)不同的電力應(yīng)用，在特定的IGBT芯片的情況下合理設(shè)計(jì)快恢復(fù)二吸管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、封裝參數(shù)及電路參數(shù)的一種新型技術(shù)。此技術(shù)將為IGBT模塊的設(shè)計(jì)與研制提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為電力電子器件的研制和電力電子裝置的研發(fā)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，可以減少電力電子裝置在使用中的電能損耗，為節(jié)能減排，低碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。
2.1 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：
1)對(duì)于IGBT模塊選擇合適的lGBT芯片與快恢復(fù)二極管芯片；
2)設(shè)計(jì)更合理的芯片結(jié)構(gòu)，改變IGBT芯片結(jié)構(gòu)以及快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)以求減小損耗和提高可靠性。
3)在封裝上進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。
4)在市場(chǎng)上現(xiàn)有的IGBT與快恢復(fù)二極管的條件下，選擇合理的匹配參數(shù)。
IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以應(yīng)用到任何包含IGBT應(yīng)用的場(chǎng)合，比如可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、電網(wǎng)互聯(lián)、無(wú)功補(bǔ)償、高壓變頻等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳社會(huì)的有力措施，是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。
2.2 IGBT與快恢復(fù)二極管匹配的技術(shù)應(yīng)用前景
做好IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)就為IGBT模塊的應(yīng)用技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。可以應(yīng)用于含有IGBT和快恢復(fù)二極管的各個(gè)行業(yè)，為節(jié)能減排，低碳生活做出有利貢獻(xiàn)。IGBT是現(xiàn)代逆變器的主流功率器件，快恢復(fù)二極管是其不可缺少的搭檔。這種技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于變頻家電、電機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、高速鐵路和智能電網(wǎng)等各個(gè)節(jié)能領(lǐng)域。優(yōu)化IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)可以使IGBT變頻裝置噪聲降低，功率因數(shù)提高，節(jié)省電能，節(jié)省材料，縮小裝置體積，降低成本使裝置工作穩(wěn)定可靠，壽命大大延長(zhǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。
2.3 IGBT與恢恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著IGBT與FRD的發(fā)展，其耐壓等級(jí)、電流容量和開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步得到提高，要求IGBT與FRD的匹配更加嚴(yán)格，特別是在高壓大功率場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)和新材料器件的發(fā)展，IGBT與FRD的匹配面臨更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，合理的選擇參數(shù)進(jìn)行匹配不僅能夠降低功率損耗，而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)FRD芯片的發(fā)展，兩個(gè)芯片的同時(shí)發(fā)展必然將帶來(lái)IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)的正確選擇可以使IGBT模塊在較大的溫度和電流范圍內(nèi)具備較低的正向?qū)▔航?，較小的開(kāi)關(guān)損耗和恢復(fù)電荷，使器件可以覆蓋更廣的功率范圍，更好的動(dòng)態(tài)抗沖擊性以確保發(fā)生短路時(shí)能夠避免器件損壞。
lGBT與FRD匹配的發(fā)展趨勢(shì)包括：
1)用碳化硅二極管代替快恢復(fù)二極管，實(shí)驗(yàn)證明1200V IGBT模塊總能耗可改善20%-40%。
2)新型材料，為充分利用新材料器件的優(yōu)勢(shì)，要求模塊結(jié)構(gòu)在更高結(jié)溫下的寄生電感和電容要小，比如碳化硅、氮化鎵器件等。
3)不斷地改進(jìn)IGBT與快恢復(fù)二極管的器件結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)明新型器件，組合新的模塊以降低功率損耗。
3. 仿真工具與物理模型
對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析是器件研究的一種重要手段，由于它具有高效，高精度，高經(jīng)濟(jì)型和高可靠性的特點(diǎn)，因此備受人們的重視，應(yīng)用仿真技術(shù)，可以減小設(shè)計(jì)費(fèi)用和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，井改進(jìn)功率半導(dǎo)體電路的可靠性。本文主要介紹ISE TCAD這個(gè)仿真環(huán)境的仿真方法與相關(guān)物理模型。以便在對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行仿真時(shí)應(yīng)用適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，井進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。
3.1仿真工具簡(jiǎn)介
ISE TCAD是目前國(guó)際上非常流行的器件仿真環(huán)境，它不僅能夠?qū)ζ骷慕Y(jié)構(gòu)和各種特性進(jìn)行深入的剖析，還可以建立電路模型或者混合模型來(lái)觀察器件在電路中的工作情況，這對(duì)于器件的動(dòng)態(tài)仿真是十分重要的。
本文主要介紹ISE工具中的MDRAW，DESSIS,，INSPECT 和 TECPLOT。
MDRAW是一種二維器件編輯器，它包括邊界編輯器，優(yōu)化編輯器，網(wǎng)格生成引擎和腳本生成引筆等幾個(gè)部分。MDRAW的這些組成部件可以用來(lái)構(gòu)建和修改TCAD模型，直到這些模型滿足相應(yīng)的仿真要求為止。
DESSIS是一個(gè)多維器件仿真器，可仿真一堆到三維的半導(dǎo)體器件，可對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行電熱學(xué)仿真；同時(shí)DESSIS也是一個(gè)混合模式仿真器，既能進(jìn)行對(duì)半導(dǎo)體器件仿真，也能對(duì)含特定器件的電路進(jìn)行仿真。DESSIS的仿真原理是將先進(jìn)的物理模型同可信的數(shù)值分析方法相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，DESSIS可仿真從亞微米Si MOSFETs到雙極大功率半導(dǎo)體器件，同樣也支持碳化硅(SIC)和Ⅲ-V族的同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)器件。
INSPECT和TECPLOT都是曲線分析工具，但是INSPECT和TECPL0T的作用是不同的。TNSPECT是器件的端特性分析工具，能顯示器件兩端的準(zhǔn)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；而TECPLOT是器件的內(nèi)部特性曲線分析工具，能顯示器件內(nèi)部的濃度、電場(chǎng)和壽命等的分布曲線。
這幾種工具中DESSIS的應(yīng)用是最難的，它不僅要求正確選擇物理模型，也要求對(duì)器件模型的腳本進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。
3.2基本方程簡(jiǎn)介
DESSIS仿真工具的仿真計(jì)算依據(jù)為半導(dǎo)體器件物理中的三個(gè)基本方程泊松方程、電流連續(xù)性方程和玻爾茲曼輸運(yùn)方程，這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體器件的電學(xué)特性主要由泊松方程：
（1）
根據(jù)玻爾茲曼輸運(yùn)理論，式(2)、(3)中的Jn和Jp可以寫(xiě)成靜電勢(shì)Ψ和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Φn、фp的函數(shù)，即
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步及對(duì)半導(dǎo)體器件物理性的逐漸了解，現(xiàn)在的物理模型已經(jīng)足夠準(zhǔn)確的反映器件的性能，但很多物理模型都有其一定的適用范圍與場(chǎng)合。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要考慮器件的種類和結(jié)構(gòu)，并結(jié)合仿真分析的要求，選擇合適的模型。
(1)SRH復(fù)合模型
在帶間通過(guò)深能級(jí)復(fù)合通常稱作SRH復(fù)合。在DESSIS中符合模型使用系列表達(dá)式
(2)俄歇復(fù)合模型
載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷。發(fā)生電子-空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級(jí)上去，當(dāng)他重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量常以聲子形式發(fā)出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。仿真中俄歇復(fù)合率R A的計(jì)算公式為：
雪崩效應(yīng)(碰撞電離)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)需要有一個(gè)開(kāi)啟電場(chǎng)力，并且要有電子加速的可能，如較寬的空間電荷區(qū)，如果空間電荷區(qū)的寬度大于兩次碰撞電離的平均自由程，便可產(chǎn)生能夠?qū)е码姄舸┑碾姾杀对鲂?yīng)。平均自由程的倒數(shù)稱為電離系數(shù)a。運(yùn)用電子和空穴的電離系數(shù)，產(chǎn)生率可表達(dá)為
4.仿真分析
為了研究影響IGBT與快恢復(fù)二極管匹配的參數(shù)，本文采用ISE仿真軟件對(duì)IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配技術(shù)進(jìn)行仿真研究，主要進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的仿真研究：
1)采用不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真；
2)在同一IGBT與快恢復(fù)二極管仿真的基礎(chǔ)上改變仿真條件進(jìn)行仿真，比如改變線路的雜生電感、封裝的寄生電感與電容、驅(qū)動(dòng)電阻等。
4.1不同的快恢復(fù)二極管與IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真
快恢復(fù)二極管A參數(shù)：P+陽(yáng)極表面摻雜1.5e16cm3，結(jié)深20µm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，厚度為120µm；N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，,厚度為50µm；整體進(jìn)行壽命控制，電子壽命為1e-7s，空穴壽命為I.6e-7s。
快恢復(fù)二極管B參數(shù)：P+陽(yáng)極表面摻雜5e15cm3，結(jié)深6µm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，厚度為74om在硅片背面形成緩沖層的N'陰極，其中緩沖層的最高濃度為4e16cm3，厚為18µm； N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，厚度為1µm；整體進(jìn)行壽命控制，電子壽命為7e-7s，空穴壽命為7e-7s。仿真電路如圖1所示：
圖1 IGBT與快恢復(fù)二極管的仿真電路圖
本仿真采用上述仿真的快恢復(fù)二極管B進(jìn)行考慮封裝與驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的寄生電感與電容和電阻改變相應(yīng)仿真條件的仿真試驗(yàn)，主要包括：
a)集電極加入封裝寄生電感13nH；
b)基極電阻増大到30歐姆；
c)二極管兩端加入寄生電容40pf；
d)基極電阻増大到30歐姆并且二極管兩端加入寄生電容40pf；
e)三極管兩端加入寄生電容40pf且基極加10nH寄生電感、(f)二極管兩端加入寄生電容40pf，基極加10nH寄生電感且基極電阻為25歐姆，每個(gè)方案的電路參數(shù)如表2所示，仿真電路如圖2所示。
圖2 IGBT與快恢復(fù)二極管仿真電路圖
1)根據(jù)a與b、c與d、e與f的仿真結(jié)果可以的得到：増加門極驅(qū)動(dòng)電阻會(huì)增大IGBT的關(guān)斷下降時(shí)間，增加損耗；
2)根據(jù)第一個(gè)仿真試驗(yàn)FRD B與本仿真試驗(yàn)中的a進(jìn)行對(duì)比可以看出；増大發(fā)射極的封裝電感會(huì)大幅増大IGBT開(kāi)通的恢復(fù)時(shí)同和開(kāi)通損耗；
3)根據(jù)c與e的仿真結(jié)果可以得到；増大基極的封裝電感會(huì)増大IGBT關(guān)斷下降時(shí)間，増加關(guān)斷損耗。
4)而由a與c、b與d的仿真數(shù)據(jù)可以得到在一定范圍內(nèi)快恢復(fù)二極管的寄生電容對(duì)lGBT的動(dòng)態(tài)特性影響不大。因此，減小門極驅(qū)動(dòng)電阻，降低封裝寄生電感可以提高IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配性能。
本文簡(jiǎn)述了IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用前景以及發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用ISE軟件進(jìn)行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的仿真研究與設(shè)計(jì)，得到影響IGBT與快恢復(fù)二極管的匹配的技術(shù)參數(shù)：
1)IGBT與快恢復(fù)二極管的額定電壓；
2)IGBT與快恢復(fù)二極管的額定電；，
3)IGBT模塊封裝的寄生電感；
4)IGBT模塊封裝的寄生電容；
5)IGBT驅(qū)動(dòng)的基極電阻；
6)IGBT與快恢復(fù)二極管的領(lǐng)定頻率；
7)外電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。
從上述結(jié)論可知，IGBT與FRD的匹配不僅需要考慮器件間的匹配關(guān)系，還需要綜合考慮外電路對(duì)器件特性的影響。
本文提出在IGBT對(duì)特定的情況下如何優(yōu)化lGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的幾種方法如下
1)選擇額定參數(shù)(電壓、電流、頻率)與IGBT一致的快恢復(fù)二極管；
2)降低驅(qū)動(dòng)門極電阻；
3)降低lGBT與快恢復(fù)二極管并聯(lián)的寄生電感(集電極與基板)；
4)電路設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)考慮IGBT與快恢復(fù)二極管井聯(lián)的寄生電容；
5)根據(jù)IGBT與快恢復(fù)二極管的應(yīng)用需求合理設(shè)計(jì)外電路的參數(shù)(電容、電感、電阻等)。
IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，實(shí)行低碳的有力措施，是我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)所急需的電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。
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