SPT+型IGBT芯片机理建模研究

作     者：孙志宇 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：赵志斌;魏晓光

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：绝缘栅双极晶体管 软穿通 机理模型 载流子增强技术 载流子复合效应 

摘      要：功率半导体器件自面世以来迅速成为人们生活中不可或缺的一部分,其中全控器件绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）具有输入阻抗高、开关速度快、损耗低、热稳定性好等优势,得到了广泛应用。IGBT的仿真模型一直是国内外的研究重点。最新结构的增强平面栅软穿通型（Soft Punch Through+,SPT+）IGBT,具有低损耗、高短路电流承受能力、强关断耐度等性能优势,但是SPT+型芯片结构与传统结构相比有很大变化,直接使用基于传统结构IGBT建立的模型进行仿真会出现误差较大甚至不收敛的问题。因此,基于建立一个适用于SPT+型IGBT的精确仿真模型的目的,本文以全球能源互联网研究院有限公司自主研制的一款规格为3300V/62.5A的SPT+型IGBT芯片为研究对象,通过分析芯片结构变化对芯片建模的影响,围绕SPT+型IGBT芯片建模开展研究。本文首先研究了 SPT+型IGBT芯片结构与传统芯片结构的不同,在调研分析了国内外主要的IGBT建模方法后,为了在模型中展现芯片结构变化对工作特性造成的影响,并考虑模型的适用范围和可拓展性,选择对SPT+型IGBT进行机理建模。其次,对SPT+型IGBT的结构特点和工作特性进行分析,针对SPT+型IGBT与传统IGBT在芯片结构上的不同,分别分析芯片结构变化对稳态和暂态模型中相关假设和边界条件的影响,以Hefner模型为基础对边界条件和相关假设进行修正,对稳态模型和暂态模型的模型方程进行推导,并在Matlab仿真软件中将改进模型实现。最后,采用实验提取和经验公式相结合的方法完成模型参数的提取,并分别在静态特性测试平台和双脉冲动态特性测试平台上进行IGBT静态特性和暂态特性的测试,得到输出特性曲线和关断暂态特性曲线的实验波形。通过改进模型、原模型仿真波形与实测波形的对照,验证了改进模型的正确性与优势。研究结果为SPT+型IGBT的仿真应用提供了更准确的模型。