具有分布栅电阻效应的高压IGBT开关过程仿真分析
发布时间：2022-12-04 07:57
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为高压功率半导体器件经常工作在高压大电流条件下。为保证器件能够长时间安全工作,器件芯片内部的电流与温度应尽可能均匀分布,所以有必要对其芯片内部电流和温度分布的规律进行研究。由于目前大多数半导体工艺下均是以掺杂多晶硅作为导电层来传输栅极电压驱动信号的,而由多晶硅栅形成的分布栅电阻效应就可能造成信号传输延迟,使得距离金属栅焊盘或金属栅汇流条近的元胞会先行导通或关断,引起器件开关过程的电流集中。针对开关过程电流集中的解决方法,目前常见的是通过三种形式的栅汇流条设计,即最密集设计、适当分布设计与无栅指设计。其中,前两者设计原理已通过相关文献资料加以解释,但第三种无栅指设计虽然最容易引发电流集中,但在实际应用中也并未表现出劣势,其内在原因目前尚无详细文献加以解释。因此,本文将从IGBT芯片开关过程电流与温度分布展开,探究无栅指设计合理存在的内在原因。本文基于Sentaurus-TCAD仿真工具,着重对IGBT开关过程电流与温度分布进行仿真研究。为了模拟芯片工作时中央温度高、周边温度低的实际情况,建...
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 电力电子技术简介
1.2 IGBT产生和发展
1.3 本文研究内容及意义
1.4 本章小结
第2章 IGBT基础理论
2.1 IGBT基本结构和工作原理
2.2 IGBT静态特性
2.2.1 正向导通特性
2.2.2 转移特性
2.2.3 输出特性
2.3 IGBT开关特性
2.3.1 开启过程
2.3.2 关断过程
2.4 IGBT阻断特性
2.5 本章小结
第3章 有利于动态均流的栅汇流条和栅极内阻设计
3.1 栅焊盘与栅汇流条
3.2 栅汇流条设计
3.2.1 最密集设计
3.2.2 适当分布设计
3.2.3 无栅指设计
3.3 其他降低栅极电阻的方法
3.4 栅极内镇流电阻设计
3.5 高压IGBT的特有问题
3.6 模块压接式封装技术
3.7 本章小结
第4章 IGBT开关过程电流仿真
4.1 器件结构建模
4.1.1 元胞结构
4.1.2 器件结构参数
4.2 双脉冲测试法
4.3 静态特性仿真
4.3.1 阻断特性仿真
4.3.2 转移特性仿真
4.3.3 输出特性仿真
4.4 关断过程电流分布仿真
4.4.1 关断过程各元胞电流分布
4.4.2 栅极电阻对元胞电流分布的影响
4.5 栅极电阻对IGBT关断时间的影响
4.6 栅极电阻对最高峰值电流的影响
4.7 栅极电阻对过剩载流子浓度分布的影响
4.8 开通过程电流分布仿真
4.9 本章小结
第5章 IGBT开关过程温度仿真
5.1 器件温差的建立
5.2 IGBT关断过程温度分布仿真
5.2.1 关断过程各元胞温度分布
5.2.2 栅极电阻对IGBT关断过程温度分布的影响
5.3 IGBT开启过程温度分布仿真
5.4 分布栅电阻对IGBT开通过程温度分布的影响
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压P-i-N二极管关断瞬态综合失效机理分析[J]. 罗皓泽,李武华,何湘宁. 电工技术学报. 2016(20)
[2]600V槽栅IGBT优良性能的机理分析[J]. 吴郁,周璇,金锐,胡冬青,贾云鹏,谭健,赵豹,李哲. 北京工业大学学报. 2016(09)
[3]IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J]. 于坤山,谢立军,金锐. 电力系统自动化. 2016(06)
[4]缓变场终止型IGBT特性的仿真[J]. 匡勇,贾云鹏,金锐,吴郁,屈静,苏洪源,李蕊. 半导体技术. 2015(01)
[5]电力电子技术的应用及其发展[J]. 李勇. 黑龙江科学. 2014(10)
[6]4500V高压大电流IGBT并联应用研究[J]. 张晋芳,梁海刚,刘志敏. 铁道机车与动车. 2014(06)
[7]IGBT并联动态不均流温度特性研究[J]. 凌晨,胡安,唐勇. 电力电子技术. 2011(11)
[8]6.5kV高压IGBT的并联应用研究[J]. 李华,杨光,杨涛,欧阳柳. 机车电传动. 2011(04)
[9]门极电压控制IGBT并联时静态均流可行性研究[J]. 赵宏涛,吴峻,常文森. 电力电子技术. 2007(09)
[10]大功率IGBT模块并联均流问题研究[J]. 孙强,王雪茹,曹跃龙. 电力电子技术. 2004(01)
硕士论文
[1]电力系统用3300V-50A IGBT芯片设计与制备[D]. 王耀华.中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院) 2017
本文编号：3707879
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 电力电子技术简介
1.2 IGBT产生和发展
1.3 本文研究内容及意义
1.4 本章小结
第2章 IGBT基础理论
2.1 IGBT基本结构和工作原理
2.2 IGBT静态特性
2.2.1 正向导通特性
2.2.2 转移特性
2.2.3 输出特性
2.3 IGBT开关特性
2.3.1 开启过程
2.3.2 关断过程
2.4 IGBT阻断特性
2.5 本章小结
第3章 有利于动态均流的栅汇流条和栅极内阻设计
3.1 栅焊盘与栅汇流条
3.2 栅汇流条设计
3.2.1 最密集设计
3.2.2 适当分布设计
3.2.3 无栅指设计
3.3 其他降低栅极电阻的方法
3.4 栅极内镇流电阻设计
3.5 高压IGBT的特有问题
3.6 模块压接式封装技术
3.7 本章小结
第4章 IGBT开关过程电流仿真
4.1 器件结构建模
4.1.1 元胞结构
4.1.2 器件结构参数
4.2 双脉冲测试法
4.3 静态特性仿真
4.3.1 阻断特性仿真
4.3.2 转移特性仿真
4.3.3 输出特性仿真
4.4 关断过程电流分布仿真
4.4.1 关断过程各元胞电流分布
4.4.2 栅极电阻对元胞电流分布的影响
4.5 栅极电阻对IGBT关断时间的影响
4.6 栅极电阻对最高峰值电流的影响
4.7 栅极电阻对过剩载流子浓度分布的影响
4.8 开通过程电流分布仿真
4.9 本章小结
第5章 IGBT开关过程温度仿真
5.1 器件温差的建立
5.2 IGBT关断过程温度分布仿真
5.2.1 关断过程各元胞温度分布
5.2.2 栅极电阻对IGBT关断过程温度分布的影响
5.3 IGBT开启过程温度分布仿真
5.4 分布栅电阻对IGBT开通过程温度分布的影响
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压P-i-N二极管关断瞬态综合失效机理分析[J]. 罗皓泽,李武华,何湘宁. 电工技术学报. 2016(20)
[2]600V槽栅IGBT优良性能的机理分析[J]. 吴郁,周璇,金锐,胡冬青,贾云鹏,谭健,赵豹,李哲. 北京工业大学学报. 2016(09)
[3]IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J]. 于坤山,谢立军,金锐. 电力系统自动化. 2016(06)
[4]缓变场终止型IGBT特性的仿真[J]. 匡勇,贾云鹏,金锐,吴郁,屈静,苏洪源,李蕊. 半导体技术. 2015(01)
[5]电力电子技术的应用及其发展[J]. 李勇. 黑龙江科学. 2014(10)
[6]4500V高压大电流IGBT并联应用研究[J]. 张晋芳,梁海刚,刘志敏. 铁道机车与动车. 2014(06)
[7]IGBT并联动态不均流温度特性研究[J]. 凌晨,胡安,唐勇. 电力电子技术. 2011(11)
[8]6.5kV高压IGBT的并联应用研究[J]. 李华,杨光,杨涛,欧阳柳. 机车电传动. 2011(04)
[9]门极电压控制IGBT并联时静态均流可行性研究[J]. 赵宏涛,吴峻,常文森. 电力电子技术. 2007(09)
[10]大功率IGBT模块并联均流问题研究[J]. 孙强,王雪茹,曹跃龙. 电力电子技术. 2004(01)
硕士论文
[1]电力系统用3300V-50A IGBT芯片设计与制备[D]. 王耀华.中国科学院大学(中国科学院工程管理与信息技术学院) 2017
本文编号：3707879
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