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IGBT与快恢复二极管的匹配技术仿真研究与设计

作者:海飞乐技术 时间:2017-01-05 18:00

摘要
  本文介绍了绝缘栅双扱晶体管(IGBT)与快恢复二极管(FRD)匹配技术的特点和优势、应用前景以及发展趋势。阐述了器件仿真软件ISE的基本方程与物理模型,利用ISE软件中的MDRAW,DESSIS,TECPLOT和INSPECT对lGBT与快恢复二极管的匹配技术进行初步仿真与研究,得到影响IGBT与快恢复二极管匹配相关的技术参數,最后提出优化IGBT与快恢复二极管匹配技术的几种方法。
 
  1.引言
  进入二十一世纪以来,以大规模风力发电、太阳能发电为代表的新能源是我国未来能源结构调整的重点发展方向,而传统的交流输电和直流输电技术已经难以满足以大规模风电和太阳能发电安全可靠接入电网的迫切需求、而基于高压大功率电力电子技术的灵活交流输电和高压直流输电是未来智能电网实现各种大规模新能源的安全高效的接入电网的核心技术之一。
  在新一代高压大功率可关断电力电子器件中,由下IGBT器件的优越的门极控制功能、较低的通态损耗和电压电流参数的迅速提高,使得IGBT器件已成为大功率电力电子技术中的首选器件。lGBT能够实现节能减排,并提高电力的利用效率,具有很好的环境保护效益,被公认为电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,是未来应用发展的必然方向。
  不过,随着lGBT的应用日益广泛,人们对其性能的要求也越来越高,一方面,为了提高工作频率,降低系统噪声,IGBT的开关速度应越快越好;另一方面,为了在不增大散热片尺寸的情况下lGBT的功耗又必须足够低。此外,电力系统应用中,IGBT的特性必须非常稳定,保证电力的安全、可靠、稳定的运行。近几年来,芯片技术不断改进,一代又一代高性能的IGBT及IGBT模块层出不穷。尽管如此,IGBT的功耗还没有降到用户满意的程度,特性还是不够稳定。
  在这种情况下,针对电力系统的特殊特点和需求,进行IGBT与快恢复二极管匹配技术的研究可以解决现阶段降低能耗、增加系统的稳定性与可靠性、减少射频与电磁干扰等问题。IGBT与快恢复二极管匹配技术不仅可以从芯片级提出相应的设计参数,还可以从模块级、装置级、系统级提出对器件相应的参数,以用于改善整个系统的性能。比如针对IGBT的串联需求对IGBT压接式模块进行IGBT与FRD的匹配研究。
 
  2. IGBT与快恢复二极管匹配技术简介
  lGBT与快恢复二极管的匹配技术就是针对不同的电力应用,在特定的IGBT芯片的情况下合理设计快恢复二吸管的结构参数、封装参数及电路参数的一种新型技术。此技术将为IGBT模块的设计与研制提供一定的理论和实验依据,为电力电子器件的研制和电力电子装置的研发带来优势,可以减少电力电子装置在使用中的电能损耗,为节能减排,低碳社会做出贡献。
 
  2.1 IGBT与快恢复二极管匹配技术的特点和优势
  IGBT与快恢复二极管的匹配技术的主要特点如下:
  1)对于IGBT模块选择合适的lGBT芯片与快恢复二极管芯片;
  2)设计更合理的芯片结构,改变IGBT芯片结构以及快恢复二极管的软度参数以求减小损耗和提高可靠性。
  3)在封装上进行更加合理的设计。
  4)在市场上现有的IGBT与快恢复二极管的条件下,选择合理的匹配参数。
  IGBT与快恢复二极管的匹配技术优势在于可以应用到任何包含IGBT应用的场合,比如可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、电网互联、无功补偿、高压变频等领域,是实现节能减排,低碳社会的有力措施,是我国建设资源节约型和环境友好型社会所急需的电力系统关键技术。
 
  2.2 IGBT与快恢复二极管匹配的技术应用前景
  做好IGBT与快恢复二极管的匹配技术就为IGBT模块的应用技术打下坚实的基础。可以应用于含有IGBT和快恢复二极管的各个行业,为节能减排,低碳生活做出有利贡献。IGBT是现代逆变器的主流功率器件,快恢复二极管是其不可缺少的搭档。这种技术可以广泛应用于变频家电、电机、太阳能发电、风力发电、电动汽车、高速铁路和智能电网等各个节能领域。优化IGBT与快恢复二极管匹配技术可以使IGBT变频装置噪声降低,功率因数提高,节省电能,节省材料,缩小装置体积,降低成本使装置工作稳定可靠,寿命大大延长,减少对电网的污染。
 
  2.3 IGBT与恢恢复二极管的匹配技术的发展趋势
  随着IGBT与FRD的发展,其耐压等级、电流容量和开关频率进一步得到提高,要求IGBT与FRD的匹配更加严格,特别是在高压大功率场合。随着电力电子技术和新材料器件的发展,IGBT与FRD的匹配面临更严峻的考验,合理的选择参数进行匹配不仅能够降低功率损耗,而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的发展将会带动FRD芯片的发展,两个芯片的同时发展必然将带来IGBT与快恢复二极管的匹配技术的发展,参数的正确选择可以使IGBT模块在较大的温度和电流范围内具备较低的正向导通压降,较小的开关损耗和恢复电荷,使器件可以覆盖更广的功率范围,更好的动态抗冲击性以确保发生短路时能够避免器件损坏。
  lGBT与FRD匹配的发展趋势包括:
  1)用碳化硅二极管代替快恢复二极管,实验证明1200V IGBT模块总能耗可改善20%-40%。
  2)新型材料,为充分利用新材料器件的优势,要求模块结构在更高结温下的寄生电感和电容要小,比如碳化硅、氮化镓器件等。
  3)不断地改进IGBT与快恢复二极管的器件结构和性能,发明新型器件,组合新的模块以降低功率损耗。
 
  3. 仿真工具与物理模型
  对半导体器件进行计算机仿真分析是器件研究的一种重要手段,由于它具有高效,高精度,高经济型和高可靠性的特点,因此备受人们的重视,应用仿真技术,可以减小设计费用和缩短设计时间,井改进功率半导体电路的可靠性。本文主要介绍ISE TCAD这个仿真环境的仿真方法与相关物理模型。以便在对半导体器件进行仿真时应用适当的物理模型,井进行正确的参数设置。
 
  3.1仿真工具简介
  ISE TCAD是目前国际上非常流行的器件仿真环境,它不仅能够对器件的结构和各种特性进行深入的剖析,还可以建立电路模型或者混合模型来观察器件在电路中的工作情况,这对于器件的动态仿真是十分重要的。
  本文主要介绍ISE工具中的MDRAW,DESSIS,,INSPECT 和 TECPLOT。
  MDRAW是一种二维器件编辑器,它包括边界编辑器,优化编辑器,网格生成引擎和脚本生成引筆等几个部分。MDRAW的这些组成部件可以用来构建和修改TCAD模型,直到这些模型满足相应的仿真要求为止。
  DESSIS是一个多维器件仿真器,可仿真一堆到三维的半导体器件,可对半导体器件进行电热学仿真;同时DESSIS也是一个混合模式仿真器,既能进行对半导体器件仿真,也能对含特定器件的电路进行仿真。DESSIS的仿真原理是将先进的物理模型同可信的数值分析方法相结合进行计算,DESSIS可仿真从亚微米Si MOSFETs到双极大功率半导体器件,同样也支持碳化硅(SIC)和Ⅲ-V族的同质或异质结器件。
  INSPECT和TECPLOT都是曲线分析工具,但是INSPECT和TECPL0T的作用是不同的。TNSPECT是器件的端特性分析工具,能显示器件两端的准静态特性和动态特性;而TECPLOT是器件的内部特性曲线分析工具,能显示器件内部的浓度、电场和寿命等的分布曲线。
  这几种工具中DESSIS的应用是最难的,它不仅要求正确选择物理模型,也要求对器件模型的脚本进行正确的参数设置。
 
 3.2基本方程简介
  DESSIS仿真工具的仿真计算依据为半导体器件物理中的三个基本方程泊松方程、电流连续性方程和玻尔兹曼输运方程,这主要是因为半导体器件的电学特性主要由泊松方程:

泊松方程(1)
  电子、空穴连续性方程
电子、空穴连续性方程
  决定DESSIS的基本功能就是求解这三个偏微分方程得到电势Ψ、电子浓度n、空穴浓度p,以及电流密度Jn和Jp。上述表达式中:ε微半导体介电常数,N+D和N-A是离化杂质浓度,PS是表面电荷密度(由绝缘材料中的固定电荷或带电界面态决定),而Un和Up分别是电子和空穴的复合率。
  根据玻尔兹曼输运理论,式(2)、(3)中的Jn和Jp可以写成静电势Ψ和准费米能级Φn、фp的函数,即
玻尔兹曼输运理论方程式
 其中En和Ep是电子和空穴的加速电场,之和u,是电子和空穴的迁移率,马·仅是电子和空穴的扩散系数,假如忽略禁带变窄效应,采用玻尔兹曼载流子分布,则
玻尔兹曼载流子分布式
 3.3物理模型
  随着半导体技术的发展进步及对半导体器件物理性的逐渐了解,现在的物理模型已经足够准确的反映器件的性能,但很多物理模型都有其一定的适用范围与场合。所以在实际应用时,需要考虑器件的种类和结构,并结合仿真分析的要求,选择合适的模型。
  (1)SRH复合模型
  在带间通过深能级复合通常称作SRH复合。在DESSIS中符合模型使用系列表达式
DESSIS中符合模型使用系列表达式
其中Etrap是缺陷能级与本证能级之差,SI的默认值Etrap=0。τp,τn是少数载流子的寿命,由杂质浓度、电场和温度决定。其计算公式为(电子c=n,空穴c=p)
计算公式为(电子c=n,空穴c=p)
 掺杂决定的少数载流子寿命τdop遵循Scharfetter关系式
遵循Scharfetter关系式
当器件未经过寿命掺杂时,半导体器件体内的少数载流子寿命主要由其掺杂和温度来决定,对于寿命控制主要由缺陷能级来决定。
  (2)俄歇复合模型
  载流子从高能级向低能级跃迁。发生电子-空穴复合时,把多余的能量传给另一个载流子,使这个载流子被激发到能量更高的能级上去,当他重新跃迁回低能级时,多余的能量常以声子形式发出,这种复合称为俄歇复合。仿真中俄歇复合率R A的计算公式为:
俄歇复合率R A的计算公式为
(3)雪崩模型
  雪崩效应(碰撞电离)产生的电子-空穴对需要有一个开启电场力,并且要有电子加速的可能,如较宽的空间电荷区,如果空间电荷区的宽度大于两次碰撞电离的平均自由程,便可产生能够导致电击穿的电荷倍增效应。平均自由程的倒数称为电离系数a。运用电子和空穴的电离系数,产生率可表达为
电子和空穴的电离系数,产生率可表达为
其中Vp1n表示漂移速率。
 
  4.仿真分析
  为了研究影响IGBT与快恢复二极管匹配的参数,本文采用ISE仿真软件对IGBT与快恢复二极管的匹配技术进行仿真研究,主要进行了以下两个方面的仿真研究:
  1)采用不同的快恢复二极管与IGBT进行动态特性仿真;
  2)在同一IGBT与快恢复二极管仿真的基础上改变仿真条件进行仿真,比如改变线路的杂生电感、封装的寄生电感与电容、驱动电阻等。
 
  4.1不同的快恢复二极管与IGBT进行动态特性仿真
  快恢复二极管A参数:P+阳极表面掺杂1.5e16cm3,结深20µm;N-漂移区浓度为6e13cm3,厚度为120µm;N+阴极的最高表面浓度为5e19cm3,,厚度为50µm;整体进行寿命控制,电子寿命为1e-7s,空穴寿命为I.6e-7s。
  快恢复二极管B参数:P+阳极表面掺杂5e15cm3,结深6µm;N-漂移区浓度为6e13cm3,厚度为74om在硅片背面形成缓冲层的N'阴极,其中缓冲层的最高浓度为4e16cm3,厚为18µm; N+阴极的最高表面浓度为5e19cm3,厚度为1µm;整体进行寿命控制,电子寿命为7e-7s,空穴寿命为7e-7s。仿真电路如图1所示:
图1 IGBT与快恢复二极管的仿真电路图
图1 IGBT与快恢复二极管的仿真电路图
仿真数据如表1所示,根据仿真数据可以判定快恢复二极管B比快恢复二极管A在与IGBT匹配时IGBT动态特性好,从而在进行IGBT与快恢复二极管匹配时要进行选择合适的快恢复二极管,外特性包括:额定电压、额定电流、额定频率等;器件参数包括结构、寿命控制、阳极发射极效率控制等。
表1不同FRD与IGBT匹配的IGBT动态特性分析
表1不同FRD与IGBT匹配的IGBT动态特性分析
4.2在同一IGBT与快恢复二极管仿真的基础上改变仿真条件
  本仿真采用上述仿真的快恢复二极管B进行考虑封装与驱动带来的寄生电感与电容和电阻改变相应仿真条件的仿真试验,主要包括:
  a)集电极加入封装寄生电感13nH;
  b)基极电阻増大到30欧姆;
  c)二极管两端加入寄生电容40pf;
  d)基极电阻増大到30欧姆并且二极管两端加入寄生电容40pf;
  e)三极管两端加入寄生电容40pf且基极加10nH寄生电感、(f)二极管两端加入寄生电容40pf,基极加10nH寄生电感且基极电阻为25欧姆,每个方案的电路参数如表2所示,仿真电路如图2所示。
表2改变仿真方案的电路参数表
表2改变仿真方案的电路参数表
图2 IGBT与快恢复二极管仿真电路图
图2 IGBT与快恢复二极管仿真电路图
仿真数据如表3所示,根据仿真数据可以推出在其他条件不改变的条件下:
  1)根据a与b、c与d、e与f的仿真结果可以的得到:増加门极驱动电阻会增大IGBT的关断下降时间,增加损耗;
  2)根据第一个仿真试验FRD B与本仿真试验中的a进行对比可以看出;増大发射极的封装电感会大幅増大IGBT开通的恢复时同和开通损耗;
  3)根据c与e的仿真结果可以得到;増大基极的封装电感会増大IGBT关断下降时间,増加关断损耗。
  4)而由a与c、b与d的仿真数据可以得到在一定范围内快恢复二极管的寄生电容对lGBT的动态特性影响不大。因此,减小门极驱动电阻,降低封装寄生电感可以提高IGBT与快恢复二极管的匹配性能。
表3改变电路参数的IGBT的动态特性分析
表3改变电路参数的IGBT的动态特性分析
 5. 结论
  本文简述了IGBT与快恢复二极管匹配技术的特点和优势、应用前景以及发展趋势,应用ISE软件进行IGBT与快恢复二极管匹配技术的仿真研究与设计,得到影响IGBT与快恢复二极管的匹配的技术参数:
  1)IGBT与快恢复二极管的额定电压;
  2)IGBT与快恢复二极管的额定电;,
  3)IGBT模块封装的寄生电感;
  4)IGBT模块封装的寄生电容;
  5)IGBT驱动的基极电阻;
  6)IGBT与快恢复二极管的领定频率;
  7)外电路的参数设计。
  从上述结论可知,IGBT与FRD的匹配不仅需要考虑器件间的匹配关系,还需要综合考虑外电路对器件特性的影响。
  本文提出在IGBT对特定的情况下如何优化lGBT与快恢复二极管匹配技术的几种方法如下
  1)选择额定参数(电压、电流、频率)与IGBT一致的快恢复二极管;
  2)降低驱动门极电阻;
  3)降低lGBT与快恢复二极管并联的寄生电感(集电极与基板);
  4)电路设计时适当考虑IGBT与快恢复二极管井联的寄生电容;
  5)根据IGBT与快恢复二极管的应用需求合理设计外电路的参数(电容、电感、电阻等)。
  IGBT与快恢复二极管匹配技术是实现节约能源,实行低碳的有力措施,是我国建设资源节约型和环境友好型社会所急需的电力系统关键技术。
 




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