??IGBT與快恢復二極管的匹配技術仿真研究與設計
摘要
本文介紹了絕緣柵雙扱晶體管(IGBT)與快恢復二極管(FRD)匹配技術的特點和優(yōu)勢、應用前景以及發(fā)展趨勢。闡述了器件仿真軟件ISE的基本方程與物理模型，利用ISE軟件中的MDRAW，DESSIS，TECPLOT和INSPECT對lGBT與快恢復二極管的匹配技術進行初步仿真與研究，得到影響IGBT與快恢復二極管匹配相關的技術參數(shù)，最后提出優(yōu)化IGBT與快恢復二極管匹配技術的幾種方法。
1.引言
進入二十一世紀以來，以大規(guī)模風力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源是我國未來能源結構調(diào)整的重點發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風電和太陽能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求、而基于高壓大功率電力電子技術的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)實現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術之一。
在新一代高壓大功率可關斷電力電子器件中，由下IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高，使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術中的首選器件。lGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，并提高電力的利用效率，具有很好的環(huán)境保護效益，被公認為電力電子技術第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是未來應用發(fā)展的必然方向。
不過，隨著lGBT的應用日益廣泛，人們對其性能的要求也越來越高，一方面，為了提高工作頻率，降低系統(tǒng)噪聲，IGBT的開關速度應越快越好；另一方面，為了在不增大散熱片尺寸的情況下lGBT的功耗又必須足夠低。此外，電力系統(tǒng)應用中，IGBT的特性必須非常穩(wěn)定，保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運行。近幾年來，芯片技術不斷改進，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮。盡管如此，IGBT的功耗還沒有降到用戶滿意的程度，特性還是不夠穩(wěn)定。
在這種情況下，針對電力系統(tǒng)的特殊特點和需求，進行IGBT與快恢復二極管匹配技術的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問題。IGBT與快恢復二極管匹配技術不僅可以從芯片級提出相應的設計參數(shù)，還可以從模塊級、裝置級、系統(tǒng)級提出對器件相應的參數(shù)，以用于改善整個系統(tǒng)的性能。比如針對IGBT的串聯(lián)需求對IGBT壓接式模塊進行IGBT與FRD的匹配研究。
2. IGBT與快恢復二極管匹配技術簡介
lGBT與快恢復二極管的匹配技術就是針對不同的電力應用，在特定的IGBT芯片的情況下合理設計快恢復二吸管的結構參數(shù)、封裝參數(shù)及電路參數(shù)的一種新型技術。此技術將為IGBT模塊的設計與研制提供一定的理論和實驗依據(jù)，為電力電子器件的研制和電力電子裝置的研發(fā)帶來優(yōu)勢，可以減少電力電子裝置在使用中的電能損耗，為節(jié)能減排，低碳社會做出貢獻。
2.1 IGBT與快恢復二極管匹配技術的特點和優(yōu)勢
IGBT與快恢復二極管的匹配技術的主要特點如下：
1)對于IGBT模塊選擇合適的lGBT芯片與快恢復二極管芯片；
2)設計更合理的芯片結構，改變IGBT芯片結構以及快恢復二極管的軟度參數(shù)以求減小損耗和提高可靠性。
3)在封裝上進行更加合理的設計。
4)在市場上現(xiàn)有的IGBT與快恢復二極管的條件下，選擇合理的匹配參數(shù)。
IGBT與快恢復二極管的匹配技術優(yōu)勢在于可以應用到任何包含IGBT應用的場合，比如可再生能源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、電網(wǎng)互聯(lián)、無功補償、高壓變頻等領域，是實現(xiàn)節(jié)能減排，低碳社會的有力措施，是我國建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會所急需的電力系統(tǒng)關鍵技術。
2.2 IGBT與快恢復二極管匹配的技術應用前景
做好IGBT與快恢復二極管的匹配技術就為IGBT模塊的應用技術打下堅實的基礎?？梢詰糜诤蠭GBT和快恢復二極管的各個行業(yè)，為節(jié)能減排，低碳生活做出有利貢獻。IGBT是現(xiàn)代逆變器的主流功率器件，快恢復二極管是其不可缺少的搭檔。這種技術可以廣泛應用于變頻家電、電機、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、電動汽車、高速鐵路和智能電網(wǎng)等各個節(jié)能領域。優(yōu)化IGBT與快恢復二極管匹配技術可以使IGBT變頻裝置噪聲降低，功率因數(shù)提高，節(jié)省電能，節(jié)省材料，縮小裝置體積，降低成本使裝置工作穩(wěn)定可靠，壽命大大延長，減少對電網(wǎng)的污染。
2.3 IGBT與恢恢復二極管的匹配技術的發(fā)展趨勢
隨著IGBT與FRD的發(fā)展，其耐壓等級、電流容量和開關頻率進一步得到提高，要求IGBT與FRD的匹配更加嚴格，特別是在高壓大功率場合。隨著電力電子技術和新材料器件的發(fā)展，IGBT與FRD的匹配面臨更嚴峻的考驗，合理的選擇參數(shù)進行匹配不僅能夠降低功率損耗，而且有利于提高器件工作可靠性。IGBT芯片的發(fā)展將會帶動FRD芯片的發(fā)展，兩個芯片的同時發(fā)展必然將帶來IGBT與快恢復二極管的匹配技術的發(fā)展，參數(shù)的正確選擇可以使IGBT模塊在較大的溫度和電流范圍內(nèi)具備較低的正向?qū)▔航?，較小的開關損耗和恢復電荷，使器件可以覆蓋更廣的功率范圍，更好的動態(tài)抗沖擊性以確保發(fā)生短路時能夠避免器件損壞。
lGBT與FRD匹配的發(fā)展趨勢包括：
1)用碳化硅二極管代替快恢復二極管，實驗證明1200V IGBT模塊總能耗可改善20%-40%。
2)新型材料，為充分利用新材料器件的優(yōu)勢，要求模塊結構在更高結溫下的寄生電感和電容要小，比如碳化硅、氮化鎵器件等。
3)不斷地改進IGBT與快恢復二極管的器件結構和性能，發(fā)明新型器件，組合新的模塊以降低功率損耗。
3. 仿真工具與物理模型
對半導體器件進行計算機仿真分析是器件研究的一種重要手段，由于它具有高效，高精度，高經(jīng)濟型和高可靠性的特點，因此備受人們的重視，應用仿真技術，可以減小設計費用和縮短設計時間，井改進功率半導體電路的可靠性。本文主要介紹ISE TCAD這個仿真環(huán)境的仿真方法與相關物理模型。以便在對半導體器件進行仿真時應用適當?shù)奈锢砟Ｐ停M行正確的參數(shù)設置。
3.1仿真工具簡介
ISE TCAD是目前國際上非常流行的器件仿真環(huán)境，它不僅能夠?qū)ζ骷慕Y構和各種特性進行深入的剖析，還可以建立電路模型或者混合模型來觀察器件在電路中的工作情況，這對于器件的動態(tài)仿真是十分重要的。
本文主要介紹ISE工具中的MDRAW，DESSIS,，INSPECT 和 TECPLOT。
MDRAW是一種二維器件編輯器，它包括邊界編輯器，優(yōu)化編輯器，網(wǎng)格生成引擎和腳本生成引筆等幾個部分。MDRAW的這些組成部件可以用來構建和修改TCAD模型，直到這些模型滿足相應的仿真要求為止。
DESSIS是一個多維器件仿真器，可仿真一堆到三維的半導體器件，可對半導體器件進行電熱學仿真；同時DESSIS也是一個混合模式仿真器，既能進行對半導體器件仿真，也能對含特定器件的電路進行仿真。DESSIS的仿真原理是將先進的物理模型同可信的數(shù)值分析方法相結合進行計算，DESSIS可仿真從亞微米Si MOSFETs到雙極大功率半導體器件，同樣也支持碳化硅(SIC)和Ⅲ-V族的同質(zhì)或異質(zhì)結器件。
INSPECT和TECPLOT都是曲線分析工具，但是INSPECT和TECPL0T的作用是不同的。TNSPECT是器件的端特性分析工具，能顯示器件兩端的準靜態(tài)特性和動態(tài)特性；而TECPLOT是器件的內(nèi)部特性曲線分析工具，能顯示器件內(nèi)部的濃度、電場和壽命等的分布曲線。
這幾種工具中DESSIS的應用是最難的，它不僅要求正確選擇物理模型，也要求對器件模型的腳本進行正確的參數(shù)設置。
3.2基本方程簡介
DESSIS仿真工具的仿真計算依據(jù)為半導體器件物理中的三個基本方程泊松方程、電流連續(xù)性方程和玻爾茲曼輸運方程，這主要是因為半導體器件的電學特性主要由泊松方程：
（1）
根據(jù)玻爾茲曼輸運理論，式(2)、(3)中的Jn和Jp可以寫成靜電勢Ψ和準費米能級Φn、фp的函數(shù)，即
隨著半導體技術的發(fā)展進步及對半導體器件物理性的逐漸了解，現(xiàn)在的物理模型已經(jīng)足夠準確的反映器件的性能，但很多物理模型都有其一定的適用范圍與場合。所以在實際應用時，需要考慮器件的種類和結構，并結合仿真分析的要求，選擇合適的模型。
(1)SRH復合模型
在帶間通過深能級復合通常稱作SRH復合。在DESSIS中符合模型使用系列表達式
(2)俄歇復合模型
載流子從高能級向低能級躍遷。發(fā)生電子-空穴復合時，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發(fā)到能量更高的能級上去，當他重新躍遷回低能級時，多余的能量常以聲子形式發(fā)出，這種復合稱為俄歇復合。仿真中俄歇復合率R A的計算公式為：
雪崩效應(碰撞電離)產(chǎn)生的電子-空穴對需要有一個開啟電場力，并且要有電子加速的可能，如較寬的空間電荷區(qū)，如果空間電荷區(qū)的寬度大于兩次碰撞電離的平均自由程，便可產(chǎn)生能夠?qū)е码姄舸┑碾姾杀对鲂?。平均自由程的倒?shù)稱為電離系數(shù)a。運用電子和空穴的電離系數(shù)，產(chǎn)生率可表達為
4.仿真分析
為了研究影響IGBT與快恢復二極管匹配的參數(shù)，本文采用ISE仿真軟件對IGBT與快恢復二極管的匹配技術進行仿真研究，主要進行了以下兩個方面的仿真研究：
1)采用不同的快恢復二極管與IGBT進行動態(tài)特性仿真；
2)在同一IGBT與快恢復二極管仿真的基礎上改變仿真條件進行仿真，比如改變線路的雜生電感、封裝的寄生電感與電容、驅(qū)動電阻等。
4.1不同的快恢復二極管與IGBT進行動態(tài)特性仿真
快恢復二極管A參數(shù)：P+陽極表面摻雜1.5e16cm3，結深20µm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，厚度為120µm；N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，,厚度為50µm；整體進行壽命控制，電子壽命為1e-7s，空穴壽命為I.6e-7s。
快恢復二極管B參數(shù)：P+陽極表面摻雜5e15cm3，結深6µm；N-漂移區(qū)濃度為6e13cm3，厚度為74om在硅片背面形成緩沖層的N'陰極，其中緩沖層的最高濃度為4e16cm3，厚為18µm； N+陰極的最高表面濃度為5e19cm3，厚度為1µm；整體進行壽命控制，電子壽命為7e-7s，空穴壽命為7e-7s。仿真電路如圖1所示：
圖1 IGBT與快恢復二極管的仿真電路圖
本仿真采用上述仿真的快恢復二極管B進行考慮封裝與驅(qū)動帶來的寄生電感與電容和電阻改變相應仿真條件的仿真試驗，主要包括：
a)集電極加入封裝寄生電感13nH；
b)基極電阻増大到30歐姆；
c)二極管兩端加入寄生電容40pf；
d)基極電阻増大到30歐姆并且二極管兩端加入寄生電容40pf；
e)三極管兩端加入寄生電容40pf且基極加10nH寄生電感、(f)二極管兩端加入寄生電容40pf，基極加10nH寄生電感且基極電阻為25歐姆，每個方案的電路參數(shù)如表2所示，仿真電路如圖2所示。
圖2 IGBT與快恢復二極管仿真電路圖
1)根據(jù)a與b、c與d、e與f的仿真結果可以的得到：増加門極驅(qū)動電阻會增大IGBT的關斷下降時間，增加損耗；
2)根據(jù)第一個仿真試驗FRD B與本仿真試驗中的a進行對比可以看出；増大發(fā)射極的封裝電感會大幅増大IGBT開通的恢復時同和開通損耗；
3)根據(jù)c與e的仿真結果可以得到；増大基極的封裝電感會増大IGBT關斷下降時間，増加關斷損耗。
4)而由a與c、b與d的仿真數(shù)據(jù)可以得到在一定范圍內(nèi)快恢復二極管的寄生電容對lGBT的動態(tài)特性影響不大。因此，減小門極驅(qū)動電阻，降低封裝寄生電感可以提高IGBT與快恢復二極管的匹配性能。
本文簡述了IGBT與快恢復二極管匹配技術的特點和優(yōu)勢、應用前景以及發(fā)展趨勢，應用ISE軟件進行IGBT與快恢復二極管匹配技術的仿真研究與設計，得到影響IGBT與快恢復二極管的匹配的技術參數(shù)：
1)IGBT與快恢復二極管的額定電壓；
2)IGBT與快恢復二極管的額定電；，
3)IGBT模塊封裝的寄生電感；
4)IGBT模塊封裝的寄生電容；
5)IGBT驅(qū)動的基極電阻；
6)IGBT與快恢復二極管的領定頻率；
7)外電路的參數(shù)設計。
從上述結論可知，IGBT與FRD的匹配不僅需要考慮器件間的匹配關系，還需要綜合考慮外電路對器件特性的影響。
本文提出在IGBT對特定的情況下如何優(yōu)化lGBT與快恢復二極管匹配技術的幾種方法如下
1)選擇額定參數(shù)(電壓、電流、頻率)與IGBT一致的快恢復二極管；
2)降低驅(qū)動門極電阻；
3)降低lGBT與快恢復二極管并聯(lián)的寄生電感(集電極與基板)；
4)電路設計時適當考慮IGBT與快恢復二極管井聯(lián)的寄生電容；
5)根據(jù)IGBT與快恢復二極管的應用需求合理設計外電路的參數(shù)(電容、電感、電阻等)。
IGBT與快恢復二極管匹配技術是實現(xiàn)節(jié)約能源，實行低碳的有力措施，是我國建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會所急需的電力系統(tǒng)關鍵技術。
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