超结IGBT关断过程的模型研究

作     者：李庆 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪志刚;叶文霞

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超结IGBT 关断过程 耗尽层 电荷量 

摘      要：功率器件在电力电子行业一直都占据着重要的地位,其中绝缘栅型双极晶体管(IGBT)又以其优异的开关性能在大功率应用场合大放异彩。不过常规IGBT的发展已经接近理论极限,难以在通过结构上的优化,实现常规IGBT性能的显著提升。而超结IGBT作为新兴的功率器件,成功突破了常规器件在发展中所面临的瓶颈,能在在相同的漂移区长度下实现器件耐压的显著提升,且关断时间相较于常规IGBT大幅降低。目前,超结IGBT的关断模型成为众多学者的研究重点。本文提出了一种针对漂移区高掺杂的超结IGBT,在关断时的电荷控制模型。将超结IGBT的电压上升阶段细分为四个阶段:初始阶段、电压上升第一阶段、电压上升第二阶段、电压上升第三阶段。分析了不同阶段超结IGBT的载流子分布及电荷量变化规律,构建了不同阶段的耗尽层随时间扩展的模型,计算了电压随时间变化的关系。最后通过MEDICI软件,将模型计算结果与仿真数据进行对比,验证了耗尽层扩展模型及电压上升模型的准确性。分析了漂移区长度及浓度对电压上升阶段功耗的影响,提出了优化电压上升阶段功耗的方法。为了提升模型的适用性,本文还分析了在漂移区低掺杂的超结IGBT在关断时的电学参数变化。同样将超结IGBT的电压上升阶段分为四个阶段:初始阶段、电压上升第一阶段、电压上升第二阶段、电压上升第三阶段。由于在漂移区低掺杂条件下,超结IGBT的耗尽层横向扩展占主要地位,本文解析了由浓度差异带来的超结IGBT在关断时电压上升曲线的差异,分别构建了各阶段耗尽层扩展模型以及电压上升模型。最后通过MEDICI软件,将模型计算结果与仿真数据进行对比,验证了耗尽层扩展模型及电压上升模型的准确性。同样,分析了漂移区长度及浓度对电压上升阶段功耗的影响,提出了优化电压上升阶段功耗的方法。