IGBT参数建模与仿真分析毕业论文.doc

河南大学物理与电子学院本科毕业论文
编号：

大学本科毕业论文

IGBT参数建模与仿真分析

论文作者姓名：
作 者 学 号：
所 在 学 院： 物理与电子学院
所 学 专 业： 测控技术与仪器
导师姓名职称： 耿涛 副教授
论文完成时间： 年05月10日

目 录
IGBT参数建模与仿真分析 1
The Parametric Model and Simulation Analysis of IGBT 2
0 前言 3
1 IGBT器件结构与工作原理 5
1.1 IGBT器件结构及原理 5
1.2 IGBT的运行特性 6
2 IGBT 失效理论与分析 9
2.1 硅参数温度模型 9
2.2 硅参数的仿真: 11
2.3 IGBT失效因素 13
3 IGBT的电气模型 18
3.1 IGBT模型分类 18
3.2 IGBT器件的等效电路 18
3.3 IGBT的模型 27
4 IGBT模型参数提取 29
4.1 栅极电容、的提取 29
4.2 跨导的提取 30
4.3 剩余载流子寿命的提取 31
4.4 栅漏极有效导电面积的提取 31
5 IGBT老化初期形成表现 33
5.1 IGBT的老化过程中外部参数的变化情况 33
5.2 集射极饱和压降Vce(sat) 35
5.3 IGBT导通关断时间 36
6 结论 37
参考文献 38

43

IGBT参数建模与仿真分析

（大学物理与电子学院， 开封，475004）
摘 要:
随着国民经济各领域的发展与国防工业对电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能与新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。其中绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT )由于同时具有功率MOSFET驱动功率小，驱动电路简单以及功率BJT高电流密度的优点，已经成为我国当前工业领域应用最广泛的全控型电力电子器件。然而由于其工作环境条件的不同以及功率波动，功率器件持续经受热电冲击，加剧器件老化进程，成为影响电能变换的装置可靠性问题的关键性因素之一。
本论文首先在对IGBT的结构，工作原理以及特性进行深入分析的基础上，利用matlab\simulink软件搭建IGBT的简化模型；其次对IGBT失效问题进行理论分析，分别从IGBT失效因素，失效机理等方面进行深入分析、总结与探讨；再次根据仿真结果得出：由于IGBT工作环境等因素影响使其不断受到电热冲击，导致模块内部键合线发生蠕动，芯片内部产生疲劳裂痕，最终导致失效的结论，从而建立起能够预测IGBT寿命的模型。
关键词:
绝缘栅型晶体管(IGBT) ，故障检测， 寿命， 可靠性

The Parametric Model and Simulation Analysis of IGBT
Cao Wenming
(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)
Abstract:
With the development of the fields of national economy and the increasing requirements on the electrical energy conversion and exploit from the defense industry and to meet the saving energy, the power semiconductor devices have increased the importance greatly ,which act as the core device of electrical energy conversion. Among them, IGBT has become the most widely used controlled power electronic device in our current national industrial field ,which has the advantages of small drive power and simple drive circuit of the power MOSFET, and the merit of high current density of BJT. However, because of the differences of work environment conditions
and power fluctuations, which becomes one of the key factors, which have a strong impact on the reliability of power transformation device, power devices are subjected to the thermal-electricity strike, and worse the aging process .
Firstly, based on the analysis of the structure and work principle and characteristics of IGBT, I build the simplified model of IGBT by matlab \simulink; secondly , I have analysed the problems of the IGBT failure theoretically, respectively from the IGBT failure factors to failure mechanism .Thirdly, according to simulation results ,we conclude that: due to factors such as work environment, IGBT are subjected to constantly electric shocks, and module internal bonding wire begin to creep and fatigue cracks occur, which eventually lead to failure , which can be used to predict the lifetime of the IGBT.

Key words:
IGBT module , fault detection, lifetime , reliability.

0 前言
电力电子器件又称功率半导体器件，是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的关键，主要用于电力设备的电能变换和控制电路。其在电能转换电路中作为开关器件，工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了装置和系统的可靠性。根据可控程度以及构造特点等因素可以把电力电子器件分为四类：
(1)半控型器件一一第一代电力电子器件:2O世纪5O年代，由美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。到了2O世纪7O年代，已经派生出了许多半控型器件，这些电力电子器件的功率也越来越大，性能日渐完善，但是由于晶闸管的固有特性，大大限制了它的应用范围。
(2)全控型器件一一第二代电力电子器件:从2O世纪7O年代后期开始，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后，各种高频率的全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有：电力场控晶体管(即功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)等，这些器件的产生和发展，已经形成了一个新型的全控电力电子器件的大家族。
(3)复合型器件——第三代电力电子器件:前两代电力电子器件中各种器件都有其本身的特点。近年来，又出现了兼有几种器件优点的复合器件。如：绝缘栅门极双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)；它实际上是MOSFET驱动双极型晶体管，兼有M0SFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两者的优点。它容量较大、开关速度快、易驱动，成为一种理想的电力电子器件。
(4)模块化器件——第四代电力电子器件:随着工艺水平的不断提高，可以将许多零散拼装的器件组合在一起并且大规模生产，进而导致第四代电力电子器件的诞生。以功率集成电路PIC(Power Intergrated Circuit)为代表，其不仅把主电路的器件，而且把驱动电路以及具有过压过流保护，甚至温度自动控制等作用的电路都集成在一起，形成一个整体。
本论文主要研究的是第三代电力电子器件IGBT的可靠性问题，下面首先介绍其发展背景：自从上世纪80年代绝缘栅双极性集体管(IGBT)问世以来，其逐步取代了功率集体管，晶闸管和功率MOSFET，在中频，中功率电力电子电路中得到广泛应用，其发展水平图如图0-1所示。随着IGBT的电压，电流等级不断提高，其应用范围已经延伸到大功率电力电子电路。作为目前发展最快的一种混合型电力电子器件，IGBT具有MOSFET输入，BJT输出相结合的特性。它既有MOSFET的输入阻抗高，驱动电路简单，开关速度高，功率损耗小的优点，又有BJT电流密度大，饱和压降低等优点。故而在高压，大电流，高速三方面是其他功率器件无法比拟的，因而是电力领域理想的开关器件。然而其不足之处是高压IGBT内阻大，导通损耗大，并且抵抗过热过压，冲击，干扰的能力较低。

图0-1： IGBT发展过程中 功率容量与开关频率变化
正是由于IGBT的广泛使用与缺点，人们对其可靠性，可维护性的要求也越来越高。在电力电子设备中，IGBT的工作环境急剧变化，或者长时间经受电热压力等因素会导致老化，使器件失效而产生故障。一旦故障发生，轻则造成设备严重破坏，重则产生灾难性事故。因此对IGBT可靠性研究一直是个热门的研究课题。近些年来，国内外诸多学者一直在研究可以一套预测IGBT寿命的方法。
然而由于IGBT失效是一个比较复杂的问题，现在正处在认识不断深化阶段，所以定量问题研究方面，国内外对此研究很少。国内外学者对于这个问题的研究分两个方向：一是对IGBT模块进行功率循环或者电热循环，人工加速老化过程模拟热疲劳实验，然后不断检测IGBT模块的输出变量，计算输出变化是否超过一定范围或者对IGBT模块进行无伤探测扫描成像，对图像进行观察焊锡材料发生裂痕，铝键合线脱落或者焊锡层发生金属化重结晶的状况来判定器件老化的程度；二是根据IGBT等功率器件寿命依赖于温度参数，如温度变化范围，持续时间，平均值等，采用统计计数法提取温度幅值循环次数和均值循环次数，然后依据相关损伤累计理论建立寿命预测模型，据此推断器件损伤度与寿命。
基于上述，论文将首先根据IGBT器件工作原理，和工作特性建立IGBT的半解析模型，之后验证其正确性；然后通过改变其内部某些参数，来模拟IGBT发生老化程度，将其反映到IGBT的外部信号输出上；最后根据IGBT实际工作中的输出特性，反过来推断IGBT的失效程度；期望依此可以建立起IGBT寿命模型，进而可以达到预测其健康状况，估计剩余使用寿命，方便功率器件管理的目的。
1 IGBT器件结构与工作原理
本章将详细介绍IGBT器件的基本结构，工作原理，运行特性等，其中运行特性包括动态特性与稳态特性。稳态特性分为输出特性与转移特性，动态特性包括其导通过程、关断过程以及擎住效应。
1.1 IGBT器件结构及原理
1.2.1 IGBT结构：
IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同之处在于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上(漏极)增加了一个P+基板，形成PN结J1,构成IGBT的集电极，栅极与源极则完全与MOSFET相似，IGBT基本结构如下图1-1a)所示，图1-1b)为简化电路，图1-1c)为简化符号。
图1-1 a)： IGBT元胞结构图 b)：简化等效电路 c)：简化符号
从IGBT结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，即IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达灵顿结构。
1.2.2 IGBT工作原理[2]：
(1)IGBT的导通：当Vce<0时，J1结会受到反向偏压控制，耗尽层向N-区扩散，由于eb(射基)结反偏，将不会产生任何电流，IGBT处于反向阻断工作模式；当Vce>0且Vge<Vth时,J2处于反偏工作状态，MOS沟道并未形成，IGBT集电极与发射极端子之间仅存在一个很小的集电极—发射极漏电流Ices,IGBT处于正向阻断工作模式；当Vce>0且Vge>Vth.，MOS管沟道导通，电子由N+源区经沟道到漏极，并垂直地流入N-外延区中，由于电子的注入降低N-区的电位，加速了P+衬底向N-外延层注入空穴，使器件很快进入导通状态。正向导通时，J2结反偏，衬底P+区注入的载流子在N-基区产生电导调制效应，N-的电导率迅速增加，使高耐压的IGBT也能具有很低的通态电压。
(2)IGBT的通态：IGBT通态时流经的电流能力同时受到栅极电压和集电极—发射极正偏压的影响，而物理机制则是受到单极性和双极性导电特性的影响。当IGBT集电极—发射极正偏压升高时，集电极的正偏置PN结注入空穴的密度也相应升高，直到超过N区中平衡时的多子浓度为止。按照这种工作方式，只要栅极电压足够高，能向N区提供电子的导电沟道开的足够宽，则IGBT的通态电压—电流特性就与二极管的通态特性没有什么差别。
(3)IGBT的正向关断：对于正向偏置并导通状态的IGBT，要想使其关断时，只需将Vgs<Vth就行了(一种简单的方式就是通过栅极与发射极短路来实现)，这样MOS管沟道消失，PNP管的基区电流被切断，导致IGBT内部阳极电流瞬间减少。随着导电沟道的消失，基极不再为基区中的空穴提供复合所需的新的电子。基区中剩下的过剩多子电子通过复合和注入发射区缓慢衰减。为了维持基区中的准电中性平衡，空穴继续从发射区注入基区，一部分与过剩多子电子复合，一部分被扫入集电区。因为过剩载流子的缓慢衰减，阳极电流也随之缓慢衰减，形成了“拖尾电流”。IGBT的开通，关断过程是器件正向阻断和正向导通的状态转换过程。
(4)IGBT反向阻断：PN结使得IGBT具有维持高反向集电极—发射极电压的能力。如果在集电极施加一个负偏压时，在反向电压下，J1结变成反向偏置，耗尽层的扩展会主要向轻掺杂的N-漂移区。在结构设计时，如果过多的降低这个层面的厚度或者掺杂程度太小，将无法取得一个较好的反向阻断能力，并且容易发生穿通击穿。但是如果过多的增加该区域厚度，又将导致其压降增大。因此，在器件设计时，要想获得较好的反向阻断能力，要求在保证击穿电压的前提下，需要优化设计该区域的电阻率和厚度。
1.2 IGBT的运行特性
1.2.1 IGBT器件的静态特性主要有转移特性、输出特性。
(1)IGBT的转移特性[2]：描述的是集电极电流Ic与栅射极电压Vge之间的关系曲线。它与电力MOSFET的转移特性类似，栅射极阈值电压Vge(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最小电压。当栅射电压小于阈值电压时，IGBT处于关断状态。实际运行中，外加Vge的最大值Vgem一般不超过15V，以限制Ic不超过IGBT的允许值Icm。IGBT在额定电流时的通态压降一般约1.5~3V，其通态压降通常在其电流较大时具有正的温度系数，在电流较大的情况下，IGBT器件具有电流自动调节均流的能力。其转移曲线如下图1-2 a)所示。
(2)IGBT的输出特性[2](伏安特性)：是指以栅极和发射极之间的电压Vge为参考变量，集电极电流Ic与集—射极电压之间的关系曲线。集电极的输出电流的大小受到栅—射极的电压控制，它与GTR(电力晶体管)的输出特性相似。IGBT的输出特性也被分成三个区域：正向阻断区域，有源区和饱和区。当Vge<0时，IGBT为反向阻断工作状态。一定的电源电压Us,负载电阻Rl对应一定的负载线和一定的临界栅源电压Vgeth。当Vge>Vgeth时，IGBT处于通态。在Vge<0时，其输出特性类似于二极管的反向阻断特性。在正向截止状态下，IGBT内部存在一个残余漏电流，即正向截止电流，这将产生截止损耗，而截止电流一般很小，因此其截止损耗通常忽略，而在导通状态下，其内部还存在一个依赖于通态电流的压降，即通态压降，它受温度影响并导致产生通态损耗。其输出曲线如图1-2 b)所示。
O

I
C
U
geth
U
ge
O
I
C
U
RM

U
ce
U
geth
U
ge
增加

图1-2 a)： IGBT的转移特性曲线 b)：IGBT的输出特性曲线
1.2.2 IGBT器件的动态特性包括开通过程[11]，关断过程[11]以及擎住效应[8]。
(1)IGBT的开通过程：不考虑反并联二极管反向恢复时间和杂散电感时的理想导通波形，栅极驱动电压Vg在t0时刻通过栅极电阻Rg加到IGBT栅极，Vge开始上升，向IGBT的栅射极电容充电，当Vge上升到IGBT的开启电压时，IGBT集电极电流Ic开始随着Vge的上升而上升，同时续流二极管的电流开始下降，续流二极管电流和IGBT电流之和等于输出电流Io。在t1~t2期间，续流二极管的电流下降但是仍处于正向偏置导通，这就意味着电流母线电压仍然加在IGBT的C和E两端，IGBT分担输出电流Io的一部分。这一期间的IGBT的功率损耗较大。从t2时刻以后，负载电流Io全部由IGBT负担，即Io=Ic。此时，二极管电流下降到零。假设二极管没有反向恢复时间，从此刻起，二极管开始承受反向电压，从t2~t3这一期间，二极管承受的反向电压逐步上升，与此同时，IGBT的Uce逐步下降，在t3时刻，IGBT达到其饱和压降Vce(sat)，交换过程全部结束。
(2) IGBT关断过程：关断刚开始时，栅射极电压减少，栅射极电容Cge开始放电。从t0~t1，Vce和ic仍然没有变化，在t1时刻，栅极电流恰好使IGBT进入临界饱和，输出电流Io全部由IGBT供给。从t1开始，Vge开始慢慢上升，dVce/dt引起的感应电流通过栅集极电容Cgc向栅射极电容Cge充电，由于这种反馈作用，Vge在t1~t2期间几乎是一个常数。栅集驱动电阻越大，关断延迟时间越长。从t2开始，当Vce增大到10V左右时，米勒电容Cgc的容量大大减少，明显地减少了从集电极到栅极的反馈电流，Vge向零下降。Vce迅速向母线电压上升，但ic仍然等于输出电流Io,这是由于续流二极管仍然是反向偏置。在t3时刻，IGBT的集电极电压达到直流电压，输出电流转由续流二极管提供，电流下降快慢由IGBT内部参数决定。关断过程主要由过剩载流子复合时间决定d ic/dt和关断时电流拖尾引起的关断损耗。温度升高，关断时间增大，关断损耗增大，栅极驱动参数仅仅对关断损耗有一定影响。栅极驱动电阻增大，关断延迟时间增长，关断损耗增大。
(3)IGBT擎住效应特性：由于IGBT为四层结构，体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度，使其开通，栅极电压失去控制作用。IGB他发生擎住效应后，集电极电流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。导致发生擎住效应原因可能是集电极电流过大(静态擎住效应)，也可能是dv/dt多大(动态擎住效应)。分析擎住效应的电路图如下图1-3所示：

图1-3： IGBT含寄生晶闸管的等效电路
IGBT静态擎住效应：静态效应发生于导通状态的IGBT中，其关键是IGBT中的等效NPN晶体管是否与PNP晶体管发生正反馈。在等效电路中，在NPN晶体管的基极和发射极之间并联一个等效体区电阻。当电流流过该等效体
区电阻时而产生电压降时，对于NPN晶体管的基极来说，相当于加了一个正向偏置电压。当集电极电流增加到一定程度时，这个偏置电压将使NPN晶体管导通，并与PNP晶体管相互激励，在这两个晶体管内部形成类似于晶闸管导通时大电流正反馈现象。两个晶体管的放大倍数α随着增加，当两者之和大于1时，则发生擎住效应，即在IGBT的集电极与发射极之间存在不依赖外加激励而存在的电流通路，使器件处于失控状态。
‚ IGBT动态擎住效应：其常常发生于IGBT关断或者器件短路等暂态过程。在IGBT关断的过程中，不可避免地出现集电极—发射极间的端电压不断迅速上升，存在较高的du/dt而引起NPN晶体管基极输入较大的位移电流而导通，这是引发寄生晶体管触发导通的一个原因。当MOS管的沟道夹断非常快时，则J2结的空间电荷建立速度快，产生的位移电流大，容易触发寄生晶体管导通。动态擎住效应主要由电压变化率决定，此外还受集电极电流，器件结温等因素影响。

2 IGBT 失效理论与分析
IGBT工作时不断承受功率循环与电热循环，过电压，过电流等；这些原因将诱发器件内部结构的变化。而这些结构的变化与IGBT模块承受的温度密切相关。本章将详细分析温度变化对器件禁带宽度，本征载流子，双核扩散系数等物理参数的影响，揭示IGBT开关速度减慢、通态压降、漏电流增大，阈值电压突变，擎住效应等容易导致IGBT器件失效的电气现象的物理机理。
2.1 硅参数温度模型
首先研究总结半导体关键参数关于温度的模型，并对此进行理论分析，在此基础上详细分析影响IGBT失效因素和IGBT电气参数失效的物理机制。
2.1.1 热导率：
在半导体材料中，若存在温度梯度▽T，便有热流，热流密度正比于温度梯度，即：； (2.1)
式中，比例系数称为热导率。
半导体的热传导是通过载流子的运动和晶格的热振动实现的。晶格导热是依靠晶格振动产生“格波”，格波在晶体中传播，将热量从高温端带到低温端。在复合半导体中，晶格导热比载流子运动导热的贡献大得多，热传导K与温度有关系，因为“格波”在传播过程中药受到散射，该散射可以看作是吸收或者碰撞的过程，通过这种“格波”之间的散射交换能量，在半导体中实现热传导。热传导率越大，说明在相同温度梯度下，传导的热量越多，热传导率的计算表达式：
； (2.2)
2.1.2 载流子寿命：
载流子寿命是指移去产生过剩电子、空穴对的外部激励后，过剩载流子浓度恢复到平衡态时所用的时间。IGBT的暂态和稳定性在很大程度上受到漂移区的载流子寿命的影响。并且IGBT的漂移区一般工作在大注入条件下。载流子有效寿命为电子和空穴少子寿命之和。模型考虑到本征载流子寿命，SRH复合及其原子间俄歇过程，假设在大注入和准中性(p=n)的条件下，得到的有效载流子寿命为[1]：
； (2.3)
而在较高温度的情况下，载流子寿命模型只是温度的函数。
对于低掺杂基区(n=p<10^17cm-3)，对上式简化得到载流子寿命为：
； (2.4)
其中，为300K时载流子寿命，载流子在300K时的经验值为2.5。
2.1.3 本征载流子浓度：
在本征半导体中，导电电子和空穴对仅能通过价键破裂而产生，电子和空穴成对生成，因此，电子的浓度等于空穴浓度，这个浓度成为半导体的本征载流子浓度ni；其是晶格振动能量的函数，故而也是温度的函数，它和温度、禁带宽度有关系，理论表达式为：
； (2.5)
式中：、分别是电子和空穴的有效质量。
2.1.4 载流子迁移率：
载流子迁移率定义为单位电场强度时载流子的速度。载流子迁移率受掺杂类型和掺杂浓度影响最大，半导体功率器件的通态压降和开关特性受电子空穴迁移率影响很大。
载流子的迁移率是由载流子的散射机制决定，载流子散射分为电离杂质散射和晶格(声子)散射两种，对电离杂质散射而言，温度越高，载流子的平均热运动速度越大，载流子经过电离杂质时，在其附近停留的时间越多，离子的散射作用越弱，即电离杂质散射的相关迁移率随温度升高而增大；对晶格(声子)散射来说，温度越高，声子浓度越大，散射越强，迁移率越小。这两种载流子同时作用于载流子，在较低温度下，电离杂质散射主导；在较高温度下，声子散射主导。电子迁移率计算表达式为：
； (2.6)
空穴迁移率表达式：
； (2.7)
高温时，载流子迁移率的计算表达式可以简化为：
； (2.8)
； (2.9)
2.1.4 双极扩散系数：
载流子的扩散系数与迁移率满足爱因斯坦关系式。
双极扩散系数计算表达式为：； (2.10)
式中、分别为电子扩散系数和空穴扩散系数，由下式计算：
； (2.11)
； (2.12)
把上述式子(2.8)，(2.9)，(2.11),(2.12)带入公式，可以得到高温时双极扩散系数表达式：； (2.13)
式中：k为硅玻尔兹曼常数()，q为电子电荷(C)。
2.2 硅参数的仿真:
IGBT的失效因素与硅参数有着密切关系，而二者均会受到温度的影响。以下是在matlab中对上述几个参数进行编程和仿真的效果图。
图2-1是其热导率随温度变化的情况，可以热导率随着温度的升高而降低。

图2-1：热导率与温度关系图
本征载流子浓度随温度变化情况入图2-2所示，可以看出随着温度升高本征载流子浓度上升，尤其是450K时，其上升速率急剧增加。

图2-2：本征载流子浓度与温度关系图
载流子寿命随温度变化的情况如图2-3所示，随着温度的上升，IGBT内部载流子寿命会变长，且其受温度变化的影响较大。

图2-3： 载流子寿命与温度关系图
空穴和电子迁移率随温度变化的情况分别如图2-4 a), b)所示，显然由图知随着温度增加，空穴、电子迁移率将降低。

图2-4 a)：空穴迁移率与关系图

图2-4 b)：电子迁移率与温度关系图
图2-5是IGBT双极扩散系数随温度变化的情况，可以看出双极扩散系数基本不随温度变化，所以老化过程中可以忽略该因素引起的失效问题。

图2-5：双极扩散系数与温度的关系图
分析：由图2-1知随着温度的增加，可以看出热导率会下降，尤其是高温下，IGBT的传导率会明显下降，因此高温下IGBT极易因为热击穿而失效；由图2-2知温度小于450K时，对于载流子浓度的影响极其微小；但是温度高于450K时载流子浓度呈指数上升，因此实际使用过程中载流子浓度对IGBT的电特性影响较微小；由图2-3知载流子寿命对温度很敏感，温度越高，载流子寿命越长，导致IGBT关断拖尾时间变长，进而导致功耗增加；由图2-4知，随着温度的增加，电子和空穴迁移率会下降，而且温度对电子迁移率的影响比对空穴迁移率的影响大。迁移率的下降使得IGBT关断时间变长，功率器件的饱和导通压降增大，使得IGBT功率增大而失效。
2.3 IGBT失效因素
当功率器件工作在功率循环或者电热循环时，会处于高温状态，可能发生热失效，而功率半导体的电流，电压与温度之间有着密切的联系，因此从温度对IGBT外参数的影响来研究IGBT的失效机理。
2.3.1通态压降：
在IGBT的栅极加大的正向偏压时，在MOSFET栅极下面的沟道形成的反型层具有很高的电导率，此时正向电流对栅极偏压反应不再敏感。在大注入的水平，阳极电流的表达式为：
; (2.14)
当集电极电流增大时，正态压降随电流增加而迅速增加，这时因为载流子-载流子散射使得大注入下双极扩散长度减小，另一个导致正态压降增加的因素是大电流下阳极注入效率的降低。IGBT的总通态压降可以等效为P-I-N二极管压降和MOS管沟道电压之和。其中P-I-N二极管压降的表达式为：
； (2.15)
式中为流经IGBT的总电流，为准中性基区有效电子浓度，P0为内部晶体管发射机边缘处的载流子浓度。该电压降随温度变化的情况如图2-6所示，可以看出随着温度的增加，PIN二极管压降会增大。

图2-6：PIN压降随温度变化的仿真结果

MOS管的沟道压降表达式为：
； (2.16)
式中 ，表示通过MOS的沟道电流；其中表示MOS管的跨导，表示IGBT的阈值电压， 表示栅源极所加偏压。
2.3.2 漏电流：IGBT的漏电流来源于PN结耗尽层空间电荷产生的电流及中性基区扩散电流的结合。漏电流表达式为：； (2.17)
式中为PN结中耗尽层的宽度，其表达式如下：；(2.18)
为硅的相对介电常数，为基极集电极电压。
漏电流很可能诱发IGBT击穿和发生擎住效应，是导致IGBT失效的主要原因之一。与其它半导体器件一样，IGBT的漏电流随温度的升高而增大，在室温条件下，空间电荷产生的电流其主要决定作用，而高温时扩散电流起主导作用。由漏电流表达式可知：随着温度的增加，漏电流将会增强，而漏电流的增加又会导致结温的增加，进一步加剧漏电流的增加，从而导致IGBT击穿和发生擎住效应。
2.3.3 阈值电压[7]：因为IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，而MOSFET的阈值电压表达式为：； (2.19)
式中：q表示电子电量，k为玻尔兹曼系数，为真空介电常数，为硅的相对介电常数，取11.7，，为栅极氧化层厚度，为基区掺杂浓度，取。由于受温度变化的参数为本征载流子浓度，故可以得出随温度变化时阈值电压的变化情况。如下图2-7所示，阈值电压随温度升高而降低。

图2-7：阈值电压随温度变化的仿真结果
可以看出：随着温度的增加，本征载流子浓度变大，导致IGBT的阈值电压下降。由于MOS的阈值电压的漂移，在高电压、大电流和高温的情况下，可能会使IGBT出现误导通，从而导致IGBT失效。
2.3.4 擎住电流：由于影响IGBT发生静态擎住效应的主要因素是IGBT中PNP、NPN共基极电流增益α的变化，其计算表达式为：； PNP、NPN共射极电流增益与共基极电流增益的关系为：；(2.20)
IGBT一旦发生擎住效应，器件失控，集电极电流很大，造成过高的功率损耗从而导致器件损坏。发生擎住效应必须具备两个条件：
触发电流即漏电流Igen在P阱区横向电阻Rs上的压降大于NPN管的发射结正向导通压降，即：； (2.21)
‚为保证正反馈，应满足：； (2.22)
由于，，可以(2.22)条件可以变为：
。
基于上述，知擎住效应的发生与晶体管的共射极电流放大系数，P阱区电阻及IGBT的关断速度有关。当温度上升时，晶体管的电流放大系数增大，载流子迁移率降低，各寄生电阻(包括)增大，将加大IGBT发生擎住效应的危险。
共射极电流放大系数随温度变化的情况如下图2-8所示：
由图可知：随着温度上升，共射极电流放大系数随温度增加而增加；这样发生擎住效应的所需的电流会减小；同时温度升高会使IGBT内部的寄生晶体管发射结分流电阻增大，同样也使擎住电流减小。故而随着温度的升高，发生擎住效应的可能性越大，之后IGBT栅极电压失去控制导致其烧毁。

图2-8：共射极电流放大倍数随温度变化情况
2.3.5 开关速度：
关断速度：IGBT的关断电流分为突然下降和缓慢衰减两个部分。第一阶段对应于MOSFET的关断过程，随着栅极电压下降，MOSFET的沟道消失，因为MOSFET的沟道电流时IGBT集电极电流Ic的主要部分，所以这段时间Ic下降较快；第二段由BJT的存储电荷决定，因为在第一阶段结尾，MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，N基区中剩余载流子复合缓慢，所以这段时间内Ic下降较慢。
由上述论述可知，BJT的共射极电流增益β决定了IGBT关断的第一阶段Ic的下降幅度；剩余载流子的寿命决定了IGBT关断的第二阶段Ic的下降速率，即
BJT的电流增益β和剩余载流子的寿命对IGBT的关断速度影响显著。
开通速度：IGBT集电极电流的上升速率是其开通速度的一个重要表征。MOSFET的跨导系数对集电极电流的上升速率有明显影响。由于MOSFET的跨导系数与载流子的迁移率呈正相关，即MOSFET的跨导系数随温度的上升而减小。跨导系数表达式为：
； (2.23)
式中：=300K，表示绝对温度为300K时MOSFET的跨导。由上式随着温度升高，跨导系数减少，集电极电流上升速度变慢，IGBT的开通速度越慢。

本章简单介绍了IGBT器件的基本结构，工作原理及基本特性，推导总结了本征载流子浓度、载流子寿命、载流子迁移率及双极扩散系数等物理参数的温度特性，建立了IGBT器件物理参数与电气参数间的对应关系，在此基础上，详细分析IGBT通态压降、漏电流，阈值电压以及发生擎住效应等电气现象的物理机理。

3 IGBT的电气模型
本章将根据IGBT的简化等效电路，结合IGBT半解析模型，建立IGBT的基本模型，之后验证模型的正确性。
3.1 IGBT模型分类
IGBT模型主要有三类：解析模型，半解析模型，行为模型。
(1)解析模型：此类模型完全基于IGBT内部半导体物理机制，因此也被称为“物理模型”。一般而言，该模型实现分为四步：在一定的假设条件下(包括载流子大注入、准静态和非准静态等)根据器件的物理行为提取相应的物理方程；采用不同的数学简化方法求解这些物理方程；模型参数的提取；采用不同结构的实验电路验证模型的正确性。Hefner模型是迄今为止最全面且准确性较高的模型，在IGBT建模领域具有相当高的影响。
(2) 半解析模型：利用仿真软件中现有的MOSFET和BJT模型，再加入IGBT的一些特殊效应，如基区电导调制效应，载流子散射效应等。IGBT内BJT是宽基区，而仿真软件中BJT是窄基区的，由于其结构不同，必然导致电气行为的不同，因此半解析模型在准确性上不如解析模型。
(3)行为模型：也称“经验模型”，其不考虑IG