IGBT功耗計算及其優(yōu)化的研究

摘 要： 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因具備雙極和功率MOSFET兩種特性的獨特優(yōu)勢，在超高電壓電力傳輸、新能源的開發(fā)利用等方面獲得廣泛應用。但目前國內IGBT發(fā)展滯后，且其功耗性能及優(yōu)化一直是國際上功率器件領域內研究的熱點和難點。在先前研究的IGBT模型的基礎上，對PSpice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)利用一種新的計算方法，對IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗進行了定量計算， 并與實際IGBT的功耗值進行對比。結果表明，兩者的數(shù)據(jù)基本一致，同時對IGBT功耗的優(yōu)化進行了探討研究。

關鍵詞： IGBT； 靜態(tài)功耗； 動態(tài)功耗； MOSEET； PSpice

中圖分類號： TN386.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0122?03

Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.

Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice

0 引 言

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）綜合了功率MOSFET和雙極晶體管（BJT）的輸入阻抗高、開關速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低（甚至接近GTR的飽和壓降）、耐壓高、電流大[1]等優(yōu)點而被廣泛應用。但電力電子器件在實際應用中最受關注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率損耗對產品的結構設計及其實際應用都至關重要，降低器件的功率損耗是提高器件工作效率和實際應用效果的重要手段，同時也是國際上電力電子器件研究的熱點。當然，國內外有關損耗研究的文獻有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT靜態(tài)和動態(tài)模型的基礎上，對Pspice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)應用一種新的計算方法，對IGBT功耗進行研究、對比、分析及優(yōu)化探討。

1 IGBT結構及模型

IGBT的基本結構如圖1所示，是在功率MOSFET的基礎上發(fā)展起來的。其縱向結構為PNPN型結構，類似于MOS晶閘管，也相當于一個VDMOS與PN結二極管串聯(lián)；橫向結構與VDMOS結構沒有區(qū)別，電流也是垂直方向流動的[3]。

3 IGBT功耗分析及優(yōu)化

依據(jù)2.2節(jié)中計算功耗的方法和式（1）～（4），并按照圖3所示的流程，就可以計算出模型開通狀態(tài)及開通瞬時、關斷瞬時和總的動態(tài)功耗；并與實際IGBT器件功耗比較，通過上述方法對IGBT器件模型開關功耗的測試值都在實際器件所提供的數(shù)據(jù)范圍內，兩者的結果基本一致。

器件的功耗是決定開關電路效率的重要因素。IGBT功耗優(yōu)化的宗旨就是將靜態(tài)和動態(tài)過程中的功率損耗都降到最小，最終得到功率損耗最低的IGBT器件[7]。

根據(jù)計算靜態(tài)功耗的式子可知，要降低靜態(tài)功耗就是要降低通態(tài)壓降，而通態(tài)壓降是受器件結構參數(shù)影響的。比如，圖1中增加集電極P+的摻雜濃度可以使電阻率降低，寄生電阻減小，從而降低IGBT的通態(tài)壓降；在其他條件不變的情況下，增大P+集電極的摻雜濃度，IGBT器件的正向飽和壓降就降低，但這不可能是無止境增大的；其次，增大N+緩沖層的濃度，能使阻斷特性所需要的寬度變小，但N+緩沖層的濃度又影響著器件IGBT的通態(tài)壓降，這又是一個相互制約的關系；N基區(qū)載流子壽命直接影響N基區(qū)電導調制效應，好的電導調制效應可以有效地降低通態(tài)壓降。

根據(jù)計算動態(tài)功耗的式子可知，要降低動態(tài)功耗主要考慮的是開通、關斷瞬時器件IGBT集電極電流、集射極間的電壓以及IGBT的開通、關斷時間這四個量。對于開關器件IGBT而言，關斷過程的時間要比開通過程的長，所以主要考慮關斷功耗[7]。P+集電極摻雜濃度越高，在關斷時電流下降的速度就越慢，關斷功耗就越大；增加N+緩沖層濃度，關斷時電流下降速度增快，關斷功耗降低。

總而言之，對P+集電極摻雜及N+緩沖層濃度等影響IGBT功耗的因素都要進行折中考慮，這樣才能使器件的功耗降到理想程度。

4 結 語

文中用來計算IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的方法在實踐中具有一定的應用價值，使用時只要將實際功率器件在PSpice軟件中仿真出靜態(tài)和動態(tài)特性，就可以得到計算功耗所需要的數(shù)據(jù)。對IGBT功耗優(yōu)化的探討研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理論指導意義。

參考文獻

[1] 蔣超，陳海民.電力電子器件概況及應用現(xiàn)狀[J].世界電子元器件，2004（4）：74?76.

[2] 王燁.關于IGBT模塊損耗的研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（3）：35?36.

[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率損耗的仿真研究[D].西安：西安科技大學，2007.

[4] 李現(xiàn)兵，牛忠霞，張峰，等.現(xiàn)代電力電子器件[J].電源世界，2006（8）：54?57.

[5] 鄧夷，趙爭鳴，袁立強，等.適用于復雜電路分析的IGBT模型[J].中國電機工程學報，2010，30（9）：1?7.

[6] 何進，張興，黃如.電導調制型功率器件用穿通結構的基區(qū)優(yōu)化理論[J].半導體學報，2000，8（8）：786?791.

[7] 凌宇.IGBT功耗優(yōu)化的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2013.

摘 要： 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因具備雙極和功率MOSFET兩種特性的獨特優(yōu)勢，在超高電壓電力傳輸、新能源的開發(fā)利用等方面獲得廣泛應用。但目前國內IGBT發(fā)展滯后，且其功耗性能及優(yōu)化一直是國際上功率器件領域內研究的熱點和難點。在先前研究的IGBT模型的基礎上，對PSpice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)利用一種新的計算方法，對IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗進行了定量計算， 并與實際IGBT的功耗值進行對比。結果表明，兩者的數(shù)據(jù)基本一致，同時對IGBT功耗的優(yōu)化進行了探討研究。

關鍵詞： IGBT； 靜態(tài)功耗； 動態(tài)功耗； MOSEET； PSpice

中圖分類號： TN386.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0122?03

Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.

Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice

0 引 言

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）綜合了功率MOSFET和雙極晶體管（BJT）的輸入阻抗高、開關速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低（甚至接近GTR的飽和壓降）、耐壓高、電流大[1]等優(yōu)點而被廣泛應用。但電力電子器件在實際應用中最受關注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率損耗對產品的結構設計及其實際應用都至關重要，降低器件的功率損耗是提高器件工作效率和實際應用效果的重要手段，同時也是國際上電力電子器件研究的熱點。當然，國內外有關損耗研究的文獻有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT靜態(tài)和動態(tài)模型的基礎上，對Pspice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)應用一種新的計算方法，對IGBT功耗進行研究、對比、分析及優(yōu)化探討。

1 IGBT結構及模型

IGBT的基本結構如圖1所示，是在功率MOSFET的基礎上發(fā)展起來的。其縱向結構為PNPN型結構，類似于MOS晶閘管，也相當于一個VDMOS與PN結二極管串聯(lián)；橫向結構與VDMOS結構沒有區(qū)別，電流也是垂直方向流動的[3]。

3 IGBT功耗分析及優(yōu)化

依據(jù)2.2節(jié)中計算功耗的方法和式（1）～（4），并按照圖3所示的流程，就可以計算出模型開通狀態(tài)及開通瞬時、關斷瞬時和總的動態(tài)功耗；并與實際IGBT器件功耗比較，通過上述方法對IGBT器件模型開關功耗的測試值都在實際器件所提供的數(shù)據(jù)范圍內，兩者的結果基本一致。

器件的功耗是決定開關電路效率的重要因素。IGBT功耗優(yōu)化的宗旨就是將靜態(tài)和動態(tài)過程中的功率損耗都降到最小，最終得到功率損耗最低的IGBT器件[7]。

根據(jù)計算靜態(tài)功耗的式子可知，要降低靜態(tài)功耗就是要降低通態(tài)壓降，而通態(tài)壓降是受器件結構參數(shù)影響的。比如，圖1中增加集電極P+的摻雜濃度可以使電阻率降低，寄生電阻減小，從而降低IGBT的通態(tài)壓降；在其他條件不變的情況下，增大P+集電極的摻雜濃度，IGBT器件的正向飽和壓降就降低，但這不可能是無止境增大的；其次，增大N+緩沖層的濃度，能使阻斷特性所需要的寬度變小，但N+緩沖層的濃度又影響著器件IGBT的通態(tài)壓降，這又是一個相互制約的關系；N基區(qū)載流子壽命直接影響N基區(qū)電導調制效應，好的電導調制效應可以有效地降低通態(tài)壓降。

根據(jù)計算動態(tài)功耗的式子可知，要降低動態(tài)功耗主要考慮的是開通、關斷瞬時器件IGBT集電極電流、集射極間的電壓以及IGBT的開通、關斷時間這四個量。對于開關器件IGBT而言，關斷過程的時間要比開通過程的長，所以主要考慮關斷功耗[7]。P+集電極摻雜濃度越高，在關斷時電流下降的速度就越慢，關斷功耗就越大；增加N+緩沖層濃度，關斷時電流下降速度增快，關斷功耗降低。

總而言之，對P+集電極摻雜及N+緩沖層濃度等影響IGBT功耗的因素都要進行折中考慮，這樣才能使器件的功耗降到理想程度。

4 結 語

文中用來計算IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的方法在實踐中具有一定的應用價值，使用時只要將實際功率器件在PSpice軟件中仿真出靜態(tài)和動態(tài)特性，就可以得到計算功耗所需要的數(shù)據(jù)。對IGBT功耗優(yōu)化的探討研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理論指導意義。

參考文獻

[1] 蔣超，陳海民.電力電子器件概況及應用現(xiàn)狀[J].世界電子元器件，2004（4）：74?76.

[2] 王燁.關于IGBT模塊損耗的研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（3）：35?36.

[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率損耗的仿真研究[D].西安：西安科技大學，2007.

[4] 李現(xiàn)兵，牛忠霞，張峰，等.現(xiàn)代電力電子器件[J].電源世界，2006（8）：54?57.

[5] 鄧夷，趙爭鳴，袁立強，等.適用于復雜電路分析的IGBT模型[J].中國電機工程學報，2010，30（9）：1?7.

[6] 何進，張興，黃如.電導調制型功率器件用穿通結構的基區(qū)優(yōu)化理論[J].半導體學報，2000，8（8）：786?791.

[7] 凌宇.IGBT功耗優(yōu)化的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2013.

摘 要： 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因具備雙極和功率MOSFET兩種特性的獨特優(yōu)勢，在超高電壓電力傳輸、新能源的開發(fā)利用等方面獲得廣泛應用。但目前國內IGBT發(fā)展滯后，且其功耗性能及優(yōu)化一直是國際上功率器件領域內研究的熱點和難點。在先前研究的IGBT模型的基礎上，對PSpice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)利用一種新的計算方法，對IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗進行了定量計算， 并與實際IGBT的功耗值進行對比。結果表明，兩者的數(shù)據(jù)基本一致，同時對IGBT功耗的優(yōu)化進行了探討研究。

關鍵詞： IGBT； 靜態(tài)功耗； 動態(tài)功耗； MOSEET； PSpice

中圖分類號： TN386.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0122?03

Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.

Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice

0 引 言

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）綜合了功率MOSFET和雙極晶體管（BJT）的輸入阻抗高、開關速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低（甚至接近GTR的飽和壓降）、耐壓高、電流大[1]等優(yōu)點而被廣泛應用。但電力電子器件在實際應用中最受關注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率損耗對產品的結構設計及其實際應用都至關重要，降低器件的功率損耗是提高器件工作效率和實際應用效果的重要手段，同時也是國際上電力電子器件研究的熱點。當然，國內外有關損耗研究的文獻有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT靜態(tài)和動態(tài)模型的基礎上，對Pspice軟件仿真所得的實驗數(shù)據(jù)應用一種新的計算方法，對IGBT功耗進行研究、對比、分析及優(yōu)化探討。

1 IGBT結構及模型

IGBT的基本結構如圖1所示，是在功率MOSFET的基礎上發(fā)展起來的。其縱向結構為PNPN型結構，類似于MOS晶閘管，也相當于一個VDMOS與PN結二極管串聯(lián)；橫向結構與VDMOS結構沒有區(qū)別，電流也是垂直方向流動的[3]。

3 IGBT功耗分析及優(yōu)化

依據(jù)2.2節(jié)中計算功耗的方法和式（1）～（4），并按照圖3所示的流程，就可以計算出模型開通狀態(tài)及開通瞬時、關斷瞬時和總的動態(tài)功耗；并與實際IGBT器件功耗比較，通過上述方法對IGBT器件模型開關功耗的測試值都在實際器件所提供的數(shù)據(jù)范圍內，兩者的結果基本一致。

器件的功耗是決定開關電路效率的重要因素。IGBT功耗優(yōu)化的宗旨就是將靜態(tài)和動態(tài)過程中的功率損耗都降到最小，最終得到功率損耗最低的IGBT器件[7]。

根據(jù)計算靜態(tài)功耗的式子可知，要降低靜態(tài)功耗就是要降低通態(tài)壓降，而通態(tài)壓降是受器件結構參數(shù)影響的。比如，圖1中增加集電極P+的摻雜濃度可以使電阻率降低，寄生電阻減小，從而降低IGBT的通態(tài)壓降；在其他條件不變的情況下，增大P+集電極的摻雜濃度，IGBT器件的正向飽和壓降就降低，但這不可能是無止境增大的；其次，增大N+緩沖層的濃度，能使阻斷特性所需要的寬度變小，但N+緩沖層的濃度又影響著器件IGBT的通態(tài)壓降，這又是一個相互制約的關系；N基區(qū)載流子壽命直接影響N基區(qū)電導調制效應，好的電導調制效應可以有效地降低通態(tài)壓降。

根據(jù)計算動態(tài)功耗的式子可知，要降低動態(tài)功耗主要考慮的是開通、關斷瞬時器件IGBT集電極電流、集射極間的電壓以及IGBT的開通、關斷時間這四個量。對于開關器件IGBT而言，關斷過程的時間要比開通過程的長，所以主要考慮關斷功耗[7]。P+集電極摻雜濃度越高，在關斷時電流下降的速度就越慢，關斷功耗就越大；增加N+緩沖層濃度，關斷時電流下降速度增快，關斷功耗降低。

總而言之，對P+集電極摻雜及N+緩沖層濃度等影響IGBT功耗的因素都要進行折中考慮，這樣才能使器件的功耗降到理想程度。

4 結 語

文中用來計算IGBT的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的方法在實踐中具有一定的應用價值，使用時只要將實際功率器件在PSpice軟件中仿真出靜態(tài)和動態(tài)特性，就可以得到計算功耗所需要的數(shù)據(jù)。對IGBT功耗優(yōu)化的探討研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理論指導意義。

參考文獻

[1] 蔣超，陳海民.電力電子器件概況及應用現(xiàn)狀[J].世界電子元器件，2004（4）：74?76.

[2] 王燁.關于IGBT模塊損耗的研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（3）：35?36.

[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率損耗的仿真研究[D].西安：西安科技大學，2007.

[4] 李現(xiàn)兵，牛忠霞，張峰，等.現(xiàn)代電力電子器件[J].電源世界，2006（8）：54?57.

[5] 鄧夷，趙爭鳴，袁立強，等.適用于復雜電路分析的IGBT模型[J].中國電機工程學報，2010，30（9）：1?7.

[6] 何進，張興，黃如.電導調制型功率器件用穿通結構的基區(qū)優(yōu)化理論[J].半導體學報，2000，8（8）：786?791.

[7] 凌宇.IGBT功耗優(yōu)化的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2013.