IGBT能耗优化及开启特性的研究
发布时间：2021-04-17 23:24
电力电子技术是国家安全领域和国民经济的重要支撑技术。它将一种形式的电能高效地转换成另外一种形式的电能,从而满足应用于各种场合。同时,它还是实现节能环保和提高国民生活水平的重要技术手段,在执行当前国家节能减排、发展新能源、实现低碳经济的基本国策中起着决定性的作用。电子电力技术中的核心元器件就是功率半导体器件。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为最重要的功率半导体器件之一,它兼具了高工作频率和低导通压降的优点。随着电能应用形式的多样化,人们对功率器件的要求也越来越高,主要体现在功耗和可靠性两个方面。对于IGBT等少子功率器件而言,由于动态功耗与静态功率之间需要折中考虑,其主流技术一般围绕着优化导通压降与关断损耗之间的折中关系。此外,当IGBT快速开启时,其开启损耗可以降低,但是会产生明显的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）噪声,因此需要通过改变栅电阻来折中考虑开启损耗与EMI噪声二者的矛盾关系。本文主要工作在于提高IGBT的性能,主要围绕优化导通压降与关断损耗之间的折中关系,以及优化...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
nIGBT的主要产品。(a)第一代,PT-IGBT;(b)第二代,NPT-IGBT;(c)第三代,FS-IGBT
三代主流IGBT的主要参数对比如表1-2所示[28],它们主要对集电结、硅片材料和工艺进行改进和优化。超结(Superjunction,SJ)结构[29]是功率半导体器件最重要的发明之一。在相同的击穿电压下,超结结构比传统体区结构具有更短的漂移区厚度和更高的漂移区掺杂浓度[30]。陈星弼院士指出,超结结构不仅可以广泛地应用在多子器件中,而且也可以应用在少子器件中[29]。英国剑桥大学的F.Udrea提出了SJ-IGBT,结构如图1-9所示[31],其耐压区由超结结构构成。他们理论分析和实验验证了SJ-IGBT比普通的FS-IGBT具有更好的导通压降与关断损耗之间的折中关系[32-34]。主要原因是:首先,因为漂移区采用了超结结构,所以漂移区的压降可以降低,导通压降也随之减小;其次,在关断时,因为漂移区储存的非平衡载流子总量更小,以及P柱N柱之间相互耗尽,所以关断损耗可以明显地减小。但是,由于P柱与Emitter电极短接在一起,N-pillar/P-pillar结反偏,因此漂移区中的电导调制较弱。
另外一种可以增强SJ-IGBT漂移区中电导调制效应的结构如图1-10所示[35-36],其中P柱上方全部为Gate电极。由于P柱完全浮空,这增强了漂移区内的电导调制效应。但是,由于Gate电极在x方向上的宽度的增加,器件的米勒电容也随之增加。此外,在阻断态,P柱的电位会随着VCE的增加而增加,所以栅氧底部拐角处的电场强度增加,进而导致器件提前击穿。通过优化IGBT的体区,IGBT的导通压降和关断损耗都已经显著地减小了。但是与多子器件MOSFET相比,由于IGBT在关断时需要抽取漂移区的非平衡载流子,因此IGBT存在“电流拖尾”现象,关断时间较长,开关频率较低。为了进一步地减小拖尾电流,IGBT的集电结需要优化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]牵引用3300V IGBT/FRD芯片组设计与开发[J]. 刘国友,覃荣震,Ian Deviny,黄建伟. 机车电传动. 2013(02)
[2]智能功率模块在电动汽车中的应用[J]. 龚熙国,徐延东. 电力电子技术. 2010(11)
[3]超结器件[J]. 陈星弼. 电力电子技术. 2008(12)
[4]现代电力电子器件的发展与现状[J]. 李现兵,师宇杰,王广州,黄娟. 世界电子元器件. 2005(05)
博士论文
[1]新型RC-IGBT的研究[D]. 朱利恒.电子科技大学 2014
[2]超结器件的模型研究及优化设计[D]. 黄海猛.电子科技大学 2013
本文编号：3144332
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
nIGBT的主要产品。(a)第一代,PT-IGBT;(b)第二代,NPT-IGBT;(c)第三代,FS-IGBT
三代主流IGBT的主要参数对比如表1-2所示[28],它们主要对集电结、硅片材料和工艺进行改进和优化。超结(Superjunction,SJ)结构[29]是功率半导体器件最重要的发明之一。在相同的击穿电压下,超结结构比传统体区结构具有更短的漂移区厚度和更高的漂移区掺杂浓度[30]。陈星弼院士指出,超结结构不仅可以广泛地应用在多子器件中,而且也可以应用在少子器件中[29]。英国剑桥大学的F.Udrea提出了SJ-IGBT,结构如图1-9所示[31],其耐压区由超结结构构成。他们理论分析和实验验证了SJ-IGBT比普通的FS-IGBT具有更好的导通压降与关断损耗之间的折中关系[32-34]。主要原因是:首先,因为漂移区采用了超结结构,所以漂移区的压降可以降低,导通压降也随之减小;其次,在关断时,因为漂移区储存的非平衡载流子总量更小,以及P柱N柱之间相互耗尽,所以关断损耗可以明显地减小。但是,由于P柱与Emitter电极短接在一起,N-pillar/P-pillar结反偏,因此漂移区中的电导调制较弱。
另外一种可以增强SJ-IGBT漂移区中电导调制效应的结构如图1-10所示[35-36],其中P柱上方全部为Gate电极。由于P柱完全浮空,这增强了漂移区内的电导调制效应。但是,由于Gate电极在x方向上的宽度的增加,器件的米勒电容也随之增加。此外,在阻断态,P柱的电位会随着VCE的增加而增加,所以栅氧底部拐角处的电场强度增加,进而导致器件提前击穿。通过优化IGBT的体区,IGBT的导通压降和关断损耗都已经显著地减小了。但是与多子器件MOSFET相比,由于IGBT在关断时需要抽取漂移区的非平衡载流子,因此IGBT存在“电流拖尾”现象,关断时间较长,开关频率较低。为了进一步地减小拖尾电流,IGBT的集电结需要优化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]牵引用3300V IGBT/FRD芯片组设计与开发[J]. 刘国友,覃荣震,Ian Deviny,黄建伟. 机车电传动. 2013(02)
[2]智能功率模块在电动汽车中的应用[J]. 龚熙国,徐延东. 电力电子技术. 2010(11)
[3]超结器件[J]. 陈星弼. 电力电子技术. 2008(12)
[4]现代电力电子器件的发展与现状[J]. 李现兵,师宇杰,王广州,黄娟. 世界电子元器件. 2005(05)
博士论文
[1]新型RC-IGBT的研究[D]. 朱利恒.电子科技大学 2014
[2]超结器件的模型研究及优化设计[D]. 黄海猛.电子科技大学 2013
本文编号：3144332
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