IGBT的基本特性仿真研究

郝保明，許海峰，李 彪，陳欣歡

（宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000）

PSpice自從問世以來，就迅速得到了廣泛應用，并且具有快速、準確的仿真功能[1].雖然包括PSpice、Saber等在內的許多模擬軟件具有很齊全的功能，能夠進行準確模擬，但通常不能直接對IGBT和功率MOSFET器件性能進行仿真[2].原因是：第一，這些模擬軟件通常并沒有功率器件模型的庫；第二，一般來說這些軟件需要器件的初始條件，包括工藝數據等參數.

1 IGBT的簡化結構

以NPN型IGBT為例，N-IGBT是三端器件，其基本結構是由N溝道的VDMOSFET與雙極型晶體管BJT兩部分所組成[3]，簡化結構如圖1所示：

圖1 簡化結構圖

從簡化結構可以看出IGBT相當于兩個級：輸入級和輸出級.其中，輸入級是MOSFET，輸出級是PNP晶體管.輸入控制著輸出，是一種電壓控制型器件.其開通和關斷是由柵極和發射極間電壓UGE所決定的.當給IGBT柵極一個正向電壓降時，IGBT就能夠自動導通；當給IGBT的柵極一個反向的負電壓時，IGBT就會自動關斷.流過MOSFET的電流為IGBT電流的主要部分，MOSFET的參數取值決定了IGBT的特性，包括其開關和存儲時間等.

2 IGBT的基本特性仿真

2.1 靜態特性

IGBT的靜態特性包括轉移與輸出共兩種特性.所謂轉移特性指的是IGBT的集電極電流IC和IGBT的柵極與發射極間電壓UGE的變化關系[4].仿真特性曲線電路如下圖2所示，并對ZT1和ZT2兩種狀態的特性曲線分別作了對比.

圖2 仿真特性曲線電路圖

轉移特性曲線(ZT1)如圖3所示，橫軸V_V2表示柵極與發射極間電壓UGE，縱軸-I（R1）表示集電極電流IC.其中參數設置是：V_V2的變化范圍是0～15V，其步長是1V.集電極與發射極間電壓為30V，R1=0.05mΩ，仿真溫度是25℃.閥值電壓計算值為4.3V，與仿真波形顯示相符.

圖3 IGBT的轉移特性曲線（ZT1）

輸出特性的曲線(ZT1)如圖4所示，圖中橫坐標V_V1為IGBT的集電極與發射極間電壓UGE，縱坐標-I(R1)是集電極電流IC.仿真參數設置是：V_V1的變化范圍是0～20V，步長設置為1V.分別選取柵射極之間電壓UGE為5V、8V、14V和15V共四個電壓值，觀察其輸出特性.

為增加模型仿真的可比性，需要考慮溫度效應.取絕對溫度T=368.15K，根據計算的模型參數帶入仿真，可得在ZT2時的仿真特性曲線，如圖5和圖6所示.

圖4 IGBT的輸出特性（ZT1）

圖5 IGBT的轉移特性曲線（ZT2）

圖6 IGBT的輸出特性曲線（ZT2）

根據轉移特性和輸出特性曲線可以看出，溫度變化影響著IGBT,溫度效應影響著IGBT的內部參數.此方法適用于不同軟件對IGBT的仿真，適用范圍廣.同時，結合PSpice軟件的特點，可設定不同的仿真溫度，從而根據不同溫度下IGBT的輸出特性曲線，重新取值計算模型參數.

2.2 動態特性

根據所示的仿真電路原理圖，將各參數值代入元件模型進行仿真，其他參數采用默認值.

圖7 單IGBT的仿真的電路原理圖

柵極串聯電阻Rg關系著開通和損耗的能量，取值越大，則其損耗就越大；但Rg對開關過程有著多方面的影響，若減小Rg，電流變化迅速也會導致反并聯二極管反向峰值電流增大.因此，考慮到仿真實驗的收斂性，取Rg為3Ω.

圖8 柵極驅動電壓波形

激勵信號采用脈沖源，周期選為100us，IGBT柵極驅動電壓波形如圖8所示.集射極間電壓為300V，負載電感和電阻分別取0.035mH、50Ω.

圖9 IGBT輸出電壓電流圖

IGBT的輸出電壓以及電流如圖9所示.其中，橫坐標V(Cgc：1)指的是IGBT集射間電壓UCE，縱坐標-I(L1)指的是負載電流，負號表示電流從L1的端點1流向端點2，仿真波形中導通壓降在2V左右，與實際相符.

3 總結

本文首先從IGBT內部結構組成和工作原理兩方面出發，闡述了一種新的簡便的IGBT建模方法，運用PSpice軟件結合廠商提供的特性曲線和特征參數，并考慮溫度效應的影響，建立了IGBT仿真模型.

〔1〕梁中華,成燕,孫勇軍，等.一種適合電路仿真的IGBT模型[J].沈陽工業大學學報,2001,23(11):18-21.

〔2〕Bonsbaine,A.,Trigkidis,G.and Benamrouche,N.An integrated electro thermal model of IGBT devices(experimental validation)[C].Proceedings of the 44th International Universities Power Engineering Conference(UPEC),Glasgow,2009:1-5.

〔3〕Sigg,J.,Turkes,P.and Kraus,R. Parameter extraction methodology and validation for an electro thermal physics-based NPT IGBT model[C].Industry Applications Conference of IEEE(IAS),New Orleans,LA,1997,2:1166-1173.

〔4〕康勁松,陶生桂,王新祺.大功率IGBT直流特性和動態特性的PSpice仿真[J].同濟大學學報,2002,30(6):710-714.