IGBT参数建模与仿真分析毕业论文.doc
《IGBT参数建模与仿真分析毕业论文.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《IGBT参数建模与仿真分析毕业论文.doc(45页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 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1The Parametric Model and Simulation Analysis of IGBT20 前言31 IGBT器件结构与工作原理51.1 IGBT器件结构及原理51.2 IGBT的运行特性62 IGBT 失效理论与分析92.1 硅参数温度模型92.2 硅参数的仿真:112.3 IGBT失效因素13
2、3 IGBT的电气模型183.1 IGBT模型分类183.2 IGBT器件的等效电路183.3 IGBT的模型274 IGBT模型参数提取294.1 栅极电容、的提取294.2 跨导的提取304.3 剩余载流子寿命的提取314.4 栅漏极有效导电面积的提取315 IGBT老化初期形成表现335.1 IGBT的老化过程中外部参数的变化情况335.2 集射极饱和压降Vce(sat)355.3 IGBT导通关断时间366 结论37参考文献3843IGBT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
3、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matlabsimulink软件搭建IGBT的简化模型;
4、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 IGBTCao Wenming(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Ka
5、ifeng 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 a
6、ct 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 curre
7、nt 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 t
8、he 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
9、 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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、,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
15、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
16、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
17、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
18、0且Vge0且VgeVth.,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
19、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VgsVth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
20、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
21、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1.53V,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)IGB
22、T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VgeVgeth时,IGBT处于通态。在Vge0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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- IGBT 参数 建模 仿真 分析 毕业论文
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。