摘要： 本文提出了一種簡單有效的、可用于SPICE仿真的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的半解析計算類模型。模型的主體為一個MOSFET(場效應(yīng)晶體管)為一個BJT(雙極晶體管)提供基極電流的達林頓結(jié)構(gòu)。由于米勒電容和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)對于IGBT的特性表現(xiàn)有著重要影響，本文在建立模型時主要考慮了這兩方面的內(nèi)容。文章所描述模型的參數(shù)可以從TCAD仿真結(jié)果得到。

　　關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管;半解析計算;電路仿真;

　　0 引言

　　IGBT發(fā)明于20世紀(jì)80 年代初。由于同時兼具單極器件易于驅(qū)動、開關(guān)性能好和雙極器件過電流能力強的優(yōu)點，被看做是未來半導(dǎo)體功率器件的主流方向，并被廣泛應(yīng)用于電機控制、家電、汽車牽引、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。[1][2]

　　隨著幾十年的發(fā)展與進步，IGBT產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上主要有以下兩大突破：一是溝槽柵(trench gate)結(jié)構(gòu)的提出，既解決了JEFT問題，又提升了溝道密度;二是場阻止(field stop，F(xiàn)S)層技術(shù)或者也有稱其為軟穿通(soft punch through，SPT)結(jié)構(gòu)的提出，使得芯片厚度大大降低從而得到更低的通態(tài)壓降。

　　伴隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，IGBT的仿真在其設(shè)計、驗證、生產(chǎn)制造、預(yù)測行為以及降低時間和物質(zhì)成本上都起到至關(guān)重要的作用。對于IGBT的設(shè)計者而言，一般都會建立在TCAD仿真軟件的基礎(chǔ)上，該類仿真軟件通過有限元的方法，求解器件內(nèi)在的物理方程。這無論從器件的工藝仿真到基本參數(shù)的仿真都是IGBT設(shè)計所必不可少的。

　　與此同時，IGBT在電路級甚至系統(tǒng)級中的表現(xiàn)行為對于器件性能的優(yōu)化也有著十分重要的參考價值。所以，探尋一種適用

　　于器件電路仿真的模型就顯得尤為迫切。本文所述一種適用于PSPICE仿真的IGBT模型，簡單而有效，其中所需參數(shù)可直接由TCAD軟件仿真結(jié)果得到。成功的將TCAD仿真與PSPICE仿真聯(lián)合起來。

　　1 模型描述

　　文獻[3]中研究了2000年之前大量的IGBT模型，對其進行了較為細致的分類：行為擬合類(Behavioural)、解析計算類(Mathematical)、半解析計算類(Semimathematical)、半數(shù)值計算類(Seminumerical)。各類模型在精確度和仿真速度上有著不同的折衷，對應(yīng)于不同需求的仿真。

　　本文所述模型主體為一個場效應(yīng)晶體管(MOSFET)向一個雙極晶體管(BJT)提供基極驅(qū)動電流的達林頓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，MOSFET部以分及BJT部分可直接采用SPICE軟件庫中自帶的模型。這樣做的優(yōu)點是使得模型的構(gòu)成得到簡化且符合實際的物理意義;但同時我們應(yīng)該注意到，現(xiàn)有的SPICE中BJT的模型并不能非常準(zhǔn)確的描述IGBT器件中寬基區(qū)的PNP晶體管部分，這使得模型的準(zhǔn)確性有一定的下降。

 

　　1.1電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

　　IGBT對比于功率MOS器件有著一個顯著的優(yōu)勢就是：在其背面加入的P+層引入了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下能有很低的電阻，同時也帶來關(guān)斷時電流有一個拖尾的缺點。所以，我們在建立IGBT模型的時候，該效應(yīng)是不能忽略的。













 

　　2 模型參數(shù)的獲取

　　上述IGBT模型屬于半解析計算類(Semimathematical)模型，用到SPICE庫中已有的MOS和BJT，并引入其他如受控源、電容、電阻、電感等元素來輔助修正模型。這種建模的方式與把IGBT器件看做一個“黑匣子”來擬合外特性曲線的建模方式不同，建模所用方程參數(shù)都有其實際的物理意義。所以，我們可以從TCAD仿真結(jié)果所得器件結(jié)構(gòu)尺寸和基本參數(shù)曲線來獲得模型所需參數(shù)。圖是使用TCAD軟件仿真所得IGBT元胞正面區(qū)的橫截面，仿真對象為一個1700V耐壓、100A通態(tài)電流的IGBT。

　　表1所示為從TCAD軟件中所提取的主要參數(shù)。

 

　　其中，C0和Adg分別是零偏壓下C、G之間的等效電容以及柵極與P基區(qū)交疊的面積。

　　3 仿真結(jié)果

　　我們將所得模型用于OrCAD Capture CIS Lite的軟件環(huán)境下進行仿真，仿真項目主要包括通態(tài)下(VG=15V)集電極電流與端電壓之間曲線關(guān)系、雙脈沖的動態(tài)開通關(guān)斷時電流電壓曲線兩項。

 

　　圖6是IGBT雙脈沖動態(tài)開關(guān)仿真所得端電流和端電壓曲線圖，其中與IGBT搭配的FRD(快速恢復(fù)二極管)模型是采用infineon公司官方網(wǎng)站發(fā)布的產(chǎn)品FRD的SPICE模型。

 

　　從圖6中可以明顯的觀測到柵極電壓在

　　開通以及關(guān)斷的過程中有米勒平臺的階段，同時在第一個脈沖下降沿關(guān)斷的時候有符合預(yù)期的拖尾電流。這說明：本文所述模型對于器件米勒電容以及電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的模擬是合理的。

　　4 結(jié)論

　　本文描述了一種可以用于SPICE仿真的IGBT子電路(.SUBCKT)模型，模型的主體是運用SPICE庫中已有的MOSFET以及PNP晶體管模型，并加入受控源、電容、電感等元素來對模型進行完善和修正。該模型主要考慮了集電極與發(fā)射極之間的米勒電容效應(yīng)和IGBT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，并用合適的子電路對其進行了模擬。同時，本文所描述的模型所需參數(shù)有其實際的物理意義，大多能從TCAD仿真的結(jié)果中得到。這使得該模型在易于完成的同時也有利于人們對IGBT器件內(nèi)部物理機制的學(xué)習(xí)和探究。將所得模型用于SPICE環(huán)境仿真所得結(jié)果顯示，仿真結(jié)果曲線在變化趨勢以及數(shù)量級上符合理論預(yù)期，并能明顯的顯示出米勒電容以及電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)對于器件性能的影響。

　　參考文獻

　　[1] 趙潔. 中國IGBT功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)觀察[J]. 半導(dǎo)體信息，2012:4.

　　[2] H.Boving, T.Laska, A.Pugatschow, et al. Ultrathin 400V FS IGBT for HEV applications[C]. Proc. of ISPSD, 2011:64-67.

　　[3] Kuang Sheng, Barry W. Williams, Stephen J. Finney. A Review of IGBT Models. IEEE Transactions on Power Electronics. 2000,15(6):1250-1265.

　　[4] R. Kraus, K. Hoffmann, H.J. Mattausch. A Precise Model for the Transient Characteristics of Power Diodes. PECS’92 Rec. pp.863-869.

　　[5] K. Sheng, S.J. Finney, Barry W. Williams. Fast and Accurate IGBT Model for SPICE. Electron. Lett. 1996,32(25):2294-2295.

　　[6] 吳建強, 李浩昱. 非線性電容Pspice模型的建立. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999,31(3):44-46.

　　作者簡介：

　　譚驥(1990)，男，博士，主要從事半導(dǎo)體功率器件研究工作，tanji@ime.ac.cn;

　　朱陽軍(1980)，男，博士，研究員，長期從事半導(dǎo)體功率器件的研究工作，zhuyangjun@ime.ac.cn;

　　劉先正(1985)，男，博士，工程師，從事功率器件應(yīng)用研究工作，liuxianzheng@sgri.sgcc.com.cn;

　　溫家良(1970)，男，博士，教授級高工，長期從事電力電子技術(shù)與高壓直流輸電技術(shù)研究。wenjialiang@sgri.sgcc.com.cn。